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Energiereiche, sicherere und länger haltbare Zinkbatterie: Forscher beleben alte Chemie mit neuem Elektrolyt
May 04, 2018

Energiereiche, sicherere und langlebigere Zinkbatterie: Forscher beleben alte Chemie mit neuem Elektrolyten

16. April 2018, Universität von Maryland

Weitere Informationen: Fei Wang et al., Hochreversible Zinkmetallanode für wässrige Batterien, Nature Materials (2018). DOI: 10.1038 / s41563-018-0063-z  

Zur Verfügung gestellt von der University of Maryland

 

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Die University of Maryland (UMD) wurde erneut als führendes Unternehmen in der Entwicklung wegweisender Batterietechnologie gegründet. Ein Team um die Forscherin der A. James Clark School of Engineering von UMD hat eine wasserbasierte Zinkbatterie entwickelt, die gleichzeitig leistungsstark, wiederaufladbar und wiederaufladbar ist eigensicher. Ein Peer-Review-Papier auf der Grundlage der Forschung wurde am 16. April in der High-Impact-Journal veröffentlicht   Naturmaterialien .

 

Zusammen mit Kollegen des US Army Research Laboratory (ARL) und des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben die UMD-Ingenieure alt kombiniert   Batterietechnologie (metallisches Zink ) mit neuen (Wasser-in-Salz-Elektrolyten). Aufbauend auf früheren UMD-Vorstößen, um sicherere Batterien unter Verwendung eines neuartigen wässrigen Elektrolyten anstelle des in herkömmlichen Lithiumionenbatterien verwendeten entflammbaren organischen Elektrolyten zu schaffen, erhöhten die Forscher die Energie der wässrigen Batterie durch Zugabe von metallischem Zink, das als Anode der Batterie verwendet wurde erste Batterie - und ihr Salz zum Elektrolyten.

 

"Wasserbasierte Batterien könnten entscheidend sein, um Brände in der Elektronik zu verhindern, aber ihre Energiespeicherung und -kapazität waren bisher begrenzt. Zum ersten Mal haben wir eine Batterie, die mit den Lithium-Ionen-Batterien in der Energiedichte mithalten kann, aber ohne das Risiko einer Explosion oder eines Brandes ", sagt Fei Wang, ein gemeinsam ernannter Postdoktorand an der UMD Clark School und ARL, und erster Autor des Papiers.

 

Die Forscher sagen, dass die neue wässrige Zink-Batterie schließlich nicht nur in der Unterhaltungselektronik, sondern auch unter extremen Bedingungen eingesetzt werden könnte, um die Leistung von sicherheitskritischen Fahrzeugen, wie sie in der Luft- und Raumfahrt, Militär und Tiefsee eingesetzt werden, zu verbessern.

 

Als Beispiel für die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Zink-Batterie nennt Fei Wang die zahlreichen Batteriebrände in Mobiltelefonen, Laptops und Elektroautos, die kürzlich in den Medien erwähnt wurden. Die in dieser Arbeit vorgestellte neue wässrige Zinkbatterie könnte die Antwort auf den Ruf nach sicherer Batteriechemie sein, während die vergleichbaren oder sogar höheren Energiedichten konventioneller Lithium-Ionen-Batterien erhalten bleiben.

 

Diese hochkonzentrierte wässerige Zinkbatterie überwindet auch andere Nachteile herkömmlicher Zinkbatterien, wie die Fähigkeit, nur begrenzte Wiederaufladezyklen zu überleben, Dendritenwachstum (baumähnliche Strukturen von Kristallen) während des Gebrauchs und Wiederaufladens und anhaltenden Wasserverbrauch, was zu dem Bedarf führt um den Elektrolyt der Batterien regelmäßig mit Wasser aufzufüllen.

 

"Vorhandene Zinkbatterien sind sicher und relativ preiswert herzustellen, aber sie sind aufgrund der schlechten Zykluszeit und niedrigen Energiedichte nicht perfekt. Wir überwinden diese Herausforderungen mit einem Wasser-in-Salz-Elektrolyten", sagt Chunsheng Wang, Professor an der UMD chemische und biomolekulare Technik und korrespondierender Autor der Arbeit.

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In dieser Zusammenarbeit identifizierten die Forscher den grundlegenden Grund für die Irreversibilität von Zinkbatterien - ein Phänomen, das bei der Verwendung von wiederaufladbaren Batterien beobachtet wird, wenn die Batterieladung bei Nennspannung abnimmt - und fanden eine neue Lösung . Das Geheimnis war, die Struktur der Solvatationssphäre des Zinkkations (positiv geladene Ionen) zu verändern.

 

"Da die meisten Wassermoleküle im neuen Elektrolyten durch das hochkonzentrierte Salz stark gebunden sind, verdampft das Wasser im Elektrolyt der wässrigen Zinkbatterie nicht in einer offenen Zelle. Dieser Fortschritt revolutioniert Zink-Luft-Batterien, die durch oxidierendes Zink mit Sauerstoff angetrieben werden aus der Luft, wie sie bei der Speicherung von Energienetzen verwendet werden ", fügt Chunsheng Wang hinzu.

 

Das Forscherteam sagt dies   Der Fortschritt in der Batterietechnologie legt den Grundstein für weitere Forschungen und sie hoffen auf eine mögliche zukünftige Vermarktung.

 

"Zinkbatterien würden ein leistungsfähiges und kostengünstiges Mittel zur Energiespeicherung bieten, wenn sie wiederaufladbar sein könnten. Diese Forschung hat Wege aufgezeigt, um zu kontrollieren, welche Moleküle in der   Elektrolyt umgibt die Ionen, die sich in einer Batterie hin- und herbewegen, wenn Energie gespeichert und abgegeben wird . Hier nutzten die Co-Autoren dieses Wissen, um eine hoch wiederaufladbare Zink-Batterie zu entwickeln, die eine kostengünstige und sichere Alternative für Unterhaltungselektronik, Autos und Stromspeicher bieten könnte ", sagt Joseph Dura, Physiker am NIST und Co-Autor von der Zeitung.

 

"Die signifikante Entdeckung, die in dieser Arbeit gemacht wurde, hat das Kernproblem von wässrigen Zinkbatterien berührt und könnte andere wässrige oder nicht-wässrige Multivalenzkationen beeinflussen, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen, wie Magnesium- und Aluminiumbatterien", sagt Kang Xu, ARL Fellow und Co-korrespondierender Autor dieses Papiers.