Wasser

Bildnachweis: Texas A&M Engineering

Von der E&T-Redaktion

Veröffentlicht am Dienstag, 4. April 2023

Forscher der Texas A&M University haben gezeigt, dass wasserbasierte Batterien eine sicherere und effizientere Alternative zu kobalthaltigen Lithium-Ionen-Batterien darstellen könnten.

Diese neuen Batterietypen würden nicht nur die Abhängigkeit der USA von Ländern verringern, die Kobalt und Lithium exportieren, sondern könnten auch batteriebedingte Brände verhindern.

„Es würde keine Batteriebrände mehr geben, weil sie auf Wasser basieren“, sagte Professorin für Chemieingenieurwesen Dr. Jodie 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 in den Vereinigten Staaten herstellen können und die Materialien für ihre Herstellung hier sind.“

Wasserbasierte Batterien bestehen 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, und die jüngste Forschung des Teams zeigt, dass die Wahl des Materials entscheidend sein kann.

„Wenn eine Elektrode beim Radfahren zu stark anschwillt, kann sie die Elektronen nicht mehr gut leiten und man verliert ihre gesamte Leistung“, sagt Lütkenhaus. „Ich glaube, dass es je nach Wahl des Elektrolyten aufgrund von Quellungseffekten einen Unterschied von 1.000 Prozent in der Energiespeicherkapazität gibt.“

Die Wissenschaftler geben an, dass die neuen Batterien aus redoxaktiven, nicht konjugierten radikalischen Polymeren (Elektroden) hergestellt werden könnten. Aufgrund der gleichzeitigen Übertragung von Elektronen, Ionen und Wassermolekülen ist die Reaktion jedoch schwer zu analysieren.

Um diese Methode zu demonstrieren, ergänzten die Forscher die Experimente durch rechnerische Simulation und Analyse.

„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“, sagte Chemie-Assistenzprofessor Dr. Daniel Tabor.

Die 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.

Im Erfolgsfall könnten wasserbasierte Batterien eine sicherere Alternative zu den heute verwendeten Batterietypen werden. Eine weitere vorgeschlagene Option war die Verwendung von Batterien aus Gummi.

„Mit dieser neuen Energiespeichertechnologie ist dies ein Vorstoß für Lithium-freie Batterien. Wir haben ein besseres Bild auf molekularer Ebene darüber, 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", fügte Tabor hinzu.

Laut einer von Eunomia veröffentlichten Studie sind Lithium-Ionen-Batterien für etwa 48 Prozent aller Müllbrände – etwa 700 pro Jahr – verantwortlich, die jedes Jahr im Vereinigten Königreich auftreten, was Abfallentsorger, Feuerwehren und die Umwelt jährlich etwa 158 Millionen Pfund kostet.

Die informelle Berichterstattung der Organisation lässt darauf schließen, dass die jährliche Zahl der Batteriebrände dreimal höher sein könnte als die Schätzung von Eunomia, wobei Hunderte weitere Brände in Recycling- und Abfallentsorgungsanlagen sowie in Sammelfahrzeugen auftreten könnten.

Im Juli 2022 veranlasste ein Großbrand in einem Londoner Hochhaus die Feuerwehr zu einer dringenden Warnung vor der Brandgefahr der Lithiumbatterien umgebauter E-Bikes.

Das wasserbasierte Batterieprojekt wird vom US-Energieministerium und der National Science Foundation über die Texas A&M Engineering Experiment Station finanziert. Die Ergebnisse der Experimente wurden in einem Artikel in Nature Materials veröffentlicht.

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