Forscher entwickeln wässriges Zink

Wässrige wiederaufladbare Batterien auf Basis von Zinkanoden gehören aufgrund ihrer intrinsischen Sicherheit, Ungiftigkeit, Kosteneffizienz und hervorragenden Leistungsabgabe zu den vielversprechendsten Systemen zum Ersatz herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien.

Ein Forschungsteam der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) hat eine stabile wässrige Zink-Ionen-Batterie entwickelt, die Wasser als Elektrolyt verwendet. Sie verwendeten eine schützende Polymerschicht, um Elektrodenkorrosion zu verhindern und die Stabilität der Zinkanode zu erhöhen, wodurch die elektrochemische Stabilität der wässrigen Zinkionenbatterie verbessert wurde.

Leichte Lithium-Ionen-Akkus mit hoher Kapazität werden heutzutage häufig in Mobiltelefonen, Laptops und anderen lebenswichtigen Geräten verwendet. Allerdings sind die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Elektrolyte von Natur aus brennbar, was zu tödlichen Bränden oder Explosionen führen kann. Ein solcher Unfall kann zu unmittelbaren Schäden für die Benutzer führen.

Um dieses Problem anzugehen, werden nicht brennbare, wässrige Elektrolytbatterien als vielversprechender Ersatz entwickelt. Allerdings schränkt die schlechte Reversibilität der Zinkanode in wässrigen Elektrolyten, die aus Zinkdendriten und Oberflächennebenreaktionen resultiert, die praktische Umsetzung von Zinkionenbatterien ein.

Das POSTECH-Forschungsteam entwickelte eine Zinkanode, die mithilfe eines Blockcopolymers mit einer multifunktionalen Schutzschicht beschichtet ist, um die Reversibilität von Zink-Ionen-Batterien zu verbessern. Die neue Polymerschicht ist elastisch und dehnbar und hält der Volumenausdehnung beim Laden und Entladen des Akkus stand.

Es wurde festgestellt, dass die Polymerschutzschicht eine homogenisierte Ionenverteilung induziert und das Dendritenwachstum unterdrückt, was zu einer langfristigen Lebensdauer der Zinkanode beiträgt. Die dünne Filmschicht verbessert auch die Elektrodenstabilität, indem sie unnötige chemische/elektrochemische Reaktionen im Elektrolyten auf der Elektrodenoberfläche unterdrückt.

In Laborexperimenten zeigte die beschichtete Zinkanode eine hervorragende Stabilität mit einer langfristigen symmetrischen Zelllebensdauer und behält in Kombination mit einer Manganoxidkathode eine Kapazitätserhaltung von 80 % nach 2.500 Zyklen bei. Darüber hinaus deckten die Forscher die Bewegung von Zinkionen in der Beschichtungsschicht mithilfe der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS)-Analyse auf.

Diese Studie bietet einen einfachen Herstellungsprozess und zugängliche Analysemethoden, um die Entwicklung von Hochleistungs-Zink-Ionen-Batterien zu rationalisieren.

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