Team findet große Speicherkapazität in Batterien auf Wasserbasis

04 (Nanowerk-Neuigkeiten) Forscher der Texas A&M University haben einen Unterschied von 1,000 % in der Speicherkapazität metallfreier, wasserbasierter Batterieelektroden entdeckt. Diese Batterien unterscheiden sich von Lithium-Ionen-Batterien, die Kobalt enthalten. Das Ziel der Gruppe, metallfreie Batterien zu erforschen, beruht auf einer besseren Kontrolle über die inländische Lieferkette, da Kobalt und Lithium ausgelagert werden. Diese sicherere Chemie würde auch Batteriebrände verhindern. Die Chemieingenieurprofessorin Dr. Jodie Lutkenhaus und der Chemieassistenzprofessor Dr. Daniel Tabor haben ihre Erkenntnisse über lithiumfreie Batterien veröffentlicht Nature Materials („Die Rolle des Elektrolyten in nicht-konjugierten radikalischen Polymeren für metallfreie wässrige Energiespeicherelektroden“). Professor für Chemieingenieurwesen Dr. Jodie Lutkenhaus und Chemie-Assistenzprofessor Dr. Daniel Tabor hat eine erhebliche Speicherkapazität in wasserbasierten Batterien entdeckt. (Bild: Texas A&M Engineering) „Da es auf Wasser basiert, gäbe es keine Batteriebrände mehr“, sagte Lutkenhaus. „Wenn in Zukunft Materialknappheit vorhergesagt wird, wird der Preis für Lithium-Ionen-Batterien deutlich steigen. Wenn wir diese alternative Batterie haben, können wir auf diese Chemie zurückgreifen, wo die Versorgung viel stabiler ist, weil wir sie hier in den Vereinigten Staaten herstellen können und die Materialien für ihre Herstellung hier sind.“ Laut Lutkenhaus bestehen wässrige Batterien aus einer Kathode, einem Elektrolyten und einer Anode. Die Kathoden und Anoden sind Polymere, die Energie speichern können, und der Elektrolyt ist Wasser, gemischt mit organischen Salzen. Der Elektrolyt ist durch seine Wechselwirkungen mit der Elektrode der Schlüssel zur Ionenleitung und Energiespeicherung. „Wenn eine Elektrode beim Radfahren zu stark anschwillt, kann sie die Elektronen nicht mehr gut leiten und die Leistung geht verloren“, sagte sie. „Ich glaube, dass es je nach Wahl des Elektrolyten aufgrund von Quellungseffekten einen Unterschied von 1,000 % in der Energiespeicherkapazität gibt.“ Laut ihrem Artikel sind redoxaktive, nicht konjugierte radikalische Polymere (Elektroden) aufgrund der hohen Entladespannung und der schnellen Redoxkinetik der Polymere vielversprechende Kandidaten für metallfreie wässrige Batterien. Die Reaktion ist komplex und aufgrund der gleichzeitigen Übertragung von Elektronen, Ionen und Wassermolekülen schwer zu lösen. „Wir demonstrieren die Natur der Redoxreaktion, indem wir wässrige Elektrolyte mit unterschiedlichem chao-/kosmotropem Charakter mithilfe einer elektrochemischen Quarzkristall-Mikrowaage mit Dissipationsüberwachung auf verschiedenen Zeitskalen untersuchen“, so die Forscher in dem Artikel. Tabors Forschungsgruppe ergänzte die experimentellen Bemühungen durch rechnerische Simulation und Analyse. Die Simulationen gaben Einblicke in das mikroskopische Bild der Struktur und Dynamik auf molekularer Ebene. „Theorie und Experiment arbeiten oft eng zusammen, um diese Materialien zu verstehen. „Eines der neuen Dinge, die wir in dieser Arbeit rechnerisch machen, ist, dass wir die Elektrode tatsächlich auf mehrere Ladezustände aufladen und sehen, wie die Umgebung auf diese Aufladung reagiert“, sagte Tabor. Forscher beobachteten makroskopisch, ob die Batteriekathode in Gegenwart bestimmter Salzarten besser funktionierte, indem sie genau maßen, wie viel Wasser und Salz während des Betriebs in die Batterie gelangt. „Wir haben das getan, um zu erklären, was experimentell beobachtet wurde“, sagte er. „Jetzt möchten wir unsere Simulationen auf zukünftige Systeme ausweiten. Wir mussten unsere Theorie bestätigen, welche Kräfte diese Art der Injektion von Wasser und Lösungsmittel antreiben. „Mit dieser neuen Energiespeichertechnologie ist dies ein Vorstoß hin zu Lithium-freien Batterien.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=62734.php