Wässrige Sekundärbatterien erregen aufgrund ihrer Sicherheit, Kosten und Umweltvorteile zunehmend Aufmerksamkeit. Ihre großmaßstäbliche Einführung stößt jedoch aufgrund eines engen elektrochemischen Stabilitätsfensters und einer relativ geringen Energiedichte auf Hindernisse. Wie können diese Einschränkungen überwunden werden, um das Potenzial wässriger Batterien im Bereich der Energiespeicherung voll auszuschöpfen?
Wasserbatterien sind für ihre inhärente Sicherheit, geringeren Kosten und geringeren ökologischen Auswirkungen bekannt und gelten als ernstzunehmende Kandidaten für Energiespeichersysteme der nächsten Generation. Ihr praktischer Einsatz ist jedoch durch ein enges elektrochemisches Stabilitätsfenster und eine unzureichende Energiedichte begrenzt, was ihre Leistung und Skalierbarkeit bei großtechnischen Anwendungen einschränkt. Diese Herausforderungen verdeutlichen die Notwendigkeit, fortschrittliche Elektrolyte zu entwickeln, die diese Hindernisse überwinden können.
Eine bedeutende Innovation im Hydrogel-Elektrolyt
Im Dezember 2024 veröffentlichten Forscher der China University of Petroleum (Ostchina) ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Energy Materials and Devices. Sie synthetisierten einen neuen Hydrogel-Elektrolyten namens Zn-SA-PSN, der in Kombination mit einer preußisch-blauen Kathode eine hohe Energiedichte und Zyklusrate in Natrium-Zink-Hybridbatterien erreicht. .
Dieser Hydrogel-Elektrolyt basiert auf einem einzigartigen Polymernetzwerk, das durch miteinander verbundene Amidketten und hydrophile funktionelle Gruppen gekennzeichnet ist, Schlüsselelemente seiner hohen Leistung. Es bietet eine beeindruckende Ionenleitfähigkeit von 43 mS cm⁻¹, die weit über herkömmliche Elektrolyte hinausgeht, und ein auf 2,5 V erweitertes elektrochemisches Stabilitätsfenster. Diese Erweiterung ermöglicht den Betrieb bei höheren Spannungen, was für die Verbesserung der Energiedichte von Batterien unerlässlich ist.
Leistung und mögliche Anwendungen
Zusammen mit einer preußisch-blauen Kathode zeigt die Natrium-Zink-Hybridbatterie eine bemerkenswerte Leistung mit über 6000 Zyklen und einem minimalen Kapazitätsabbau von nur 0,0096 % pro Zyklus bei einer hohen Stromdichte von 25 °C. Diese Stabilität ergibt sich aus der Fähigkeit des Hydrogel-Elektrolyten um Nebenreaktionen zu unterdrücken und das Dendritenwachstum zu hemmen, eine häufige Herausforderung bei Zinkanoden. Darüber hinaus erreicht die Batterie eine Energiedichte von ca. 220 Wh·kg⁻¹ mit außergewöhnlicher Geschwindigkeitsleistung bis zu 5 °C. Die Vielseitigkeit des Zn-SA-PSN-Elektrolyten ermöglicht die Verwendung mit verschiedenen kathodischen Materialien, wodurch seine Anwendung in wässrigen Medien kompatibel ist Natrium-Zink-Hybridbatterien und Zink-Ionen-Batterien.
Diese Innovation beseitigt kritische Einschränkungen aktueller Batterietechnologien und eröffnet neue Wege für die zukünftige Entwicklung. Tatsächlich stellte Dr. Linjie Zhi, Hauptforscher, klar: „Unser Hydrogel-Elektrolyt stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich wässriger Batterien dar. Seine Fähigkeit, über Tausende von Zyklen und bei hohen Stromdichten eine hohe Leistung aufrechtzuerhalten, zeigt sein Potenzial für praktische Anwendungen in der Energiespeicherung.»
-Die Entwicklung des Zn-SA-PSN-Hydrogelelektrolyten hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Energiespeicherindustrie. Seine Fähigkeit, eine hohe Energiedichte und Langzeitstabilität bereitzustellen, könnte Batteriesysteme für die Energiespeicherung im Netzmaßstab, für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen, die Effizienz und Sicherheit erfordern, verändern. Dieser Fortschritt unterstreicht auch das Potenzial von Hybrid-Ionenbatterien, die wachsende Nachfrage nach nachhaltigen und effizienten Energiespeicherlösungen zu decken.
Bildunterschrift: Gen AI
Artikel: „Fortschrittliche Hochspannungs- und superstabile Natrium-Zink-Hybrid-Ionen-Batterien durch einen Hydrogel-Elektrolyten“ – DOI: 10.26599/EMD.2024.9370050
Tsinghua University Press – Veröffentlichung in der Zeitschrift Energy Materials and Devices
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