Erhöhte Speicherkapazität im Wasser

Texas A&M University, College Station, TX

Forscher der Texas A&M University haben einen 1.000-prozentigen Unterschied in der Speicherkapazität metallfreier, wasserbasierter Batterieelektroden entdeckt.

Diese Batterien unterscheiden sich von Li-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.

Chemieingenieurprofessorin Dr. Jodie Lutkenhaus und Chemieassistentprofessor Dr. Daniel Tabor haben ihre Erkenntnisse über lithiumfreie Batterien in Nature Materials veröffentlicht.

„Es würde keine Batteriebrände mehr geben, weil es auf Wasser basiert“, 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 herstellen können.“ in den Vereinigten Staaten und Materialien zu ihrer Herstellung gibt es hier.“

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 man verliert ihre gesamte Leistung“, sagte sie. „Ich glaube, dass es je nach Wahl des Elektrolyten aufgrund von Quellungseffekten einen Unterschied von 1.000 Prozent 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.

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“, sagt Tabor sagte.

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 würden unsere Simulationen gerne auf zukünftige Systeme ausweiten. Wir mussten unsere Theorie bestätigen, welche Kräfte diese Art der Injektion von Wasser und Lösungsmittel antreiben“, sagte Tabor. „Mit dieser neuen Energiespeichertechnologie ist dies ein Vorstoß hin zu Lithium-freien Batterien. Wir haben auf molekularer Ebene ein besseres Bild davon, was dazu führt, dass einige Batterieelektroden besser funktionieren als andere, und das gibt uns starke Hinweise darauf, wo wir bei den Materialien vorankommen müssen.“ Design."

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Amy Halbert unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 979-458-4243.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Battery & Electrification Technology Magazine.

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