Innovative Aqueous Batterien könnten Elektrofahrzeugindustrie revolutionieren
Forscher in China haben eine wasserbasierte Batterie entwickelt, die als sicherer und energieeffizienter gilt als die „hoch entzündlichen“ nicht-wässrigen Lithiumbatterien. Diese neuen Batterien sollen eine doppelt so hohe Energiedichte wie herkömmliche Lithium-Ionen-Optionen aufweisen, was das Potenzial hat, die Elektrofahrzeugindustrie zu revolutionieren.
Sicherheit durch Wasser als Lösungsmittel
Aqueous Batterien verwenden Wasser als Lösungsmittel für Elektrolyte, was ihre Sicherheit erhöht. Traditionelle nicht-wässrige Lithium-Ionen-Batterien haben eine hohe Energiedichte, aber ihre Sicherheit wird durch die brennbaren organischen Elektrolyte, die zum Laden und Entladen der Batterie verwendet werden, beeinträchtigt.
Wässrige Batterien haben im Allgemeinen eine geringere Energiedichte aufgrund der begrenzten Löslichkeit des Elektrolyten und der niedrigen Batteriespannung. Doch nun haben Forscher in China eine hochenergiehaltige wässrige Batterie auf Basis des Halogen-Mehrfachelektronentransfers entwickelt.
Durchbruch in der Batterietechnologie
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. LI Xianfeng vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. FU Qiang, ebenfalls vom DICP, hat eine Mehrfachelektronentransfer-Kathode auf Basis von Brom und Iod entwickelt.
Diese Kathode erreichte eine spezifische Kapazität von mehr als 840 Ah/L und eine Energiedichte von bis zu 1200 Wh/L basierend auf dem Katholyten in vollständigen Batterietests, laut einer neuen Studie, die in Nature Energy veröffentlicht wurde.
Verbesserung der Energiedichte durch gemischte Halogenlösung
Um die Energiedichte wässriger Batterien zu verbessern, verwendeten die Forscher eine gemischte Halogenlösung aus Iodid-Ionen (I-) und Bromid-Ionen (Br-) als Elektrolyt. Sie entwickelten eine Mehrfachelektronentransfer-Reaktion, bei der I- zu elementarem Iod (I2) und dann zu Iodat (IO3-) umgewandelt wurde.
Während des Ladevorgangs wurden I- auf der positiven Seite zu IO3- oxidiert und die erzeugten H+ wurden zur negativen Seite in Form eines unterstützenden Elektrolyten geleitet. Während des Entladens wurden H+ von der positiven Seite geleitet und IO3- zu I- reduziert.
Der Prozess und die Ergebnisse
Die entwickelte Mehrfachelektronentransfer-Kathode hatte eine spezifische Kapazität von 840 Ah/L. Durch die Kombination der Kathode mit metallischem Cadmium (Cd) zur Bildung einer vollständigen Batterie erreichten die Forscher eine Energiedichte von bis zu 1200 Wh/L basierend auf dem entwickelten Katholyten.
Die Forscher berichteten, dass Br- im Elektrolyten während des Ladevorgangs polarisiertes Iod-Bromid (IBr) erzeugen konnte, was die Reaktion mit H2O zur Bildung von IO3- erleichterte. Während des Entladens konnte IO3- Br- zu Br2 oxidieren und an der elektrochemischen Reaktion teilnehmen, um eine reversible und schnelle Entladung von IO3- zu realisieren.
Verlängerung der Lebensdauer auf 1.000 Zyklen
Laut SCMP ergaben Tests der Forscher mit einem Vanadium-Anodenmaterial, dass die Lebensdauer der Batterien auf 1.000 Zyklen verlängert werden konnte, was eine erhebliche Stabilität demonstriert.
Die Wissenschaftler erwähnten auch, dass die Energiedichte ihrer Batterien sogar „die einiger fester Elektrodenmaterialien übertraf“ und im Kostenvergleich mit traditionellen Lithiumbatterien konkurrieren könnte.
Sie behaupteten, ihre Arbeit zeige, dass wässrige Batterien mit hoher Energiedichte entwickelt werden können, und biete eine Entwicklungsoption für Energiespeicher im Netzmaßstab und sogar für Elektrofahrzeuge.
