Ein Team unter der Leitung von Professor Petru Andrei vom College of Engineering der Florida A&M University-Florida State University und Doktorand Peng Wang hat eine wässrige Zink-Ionen-Batterie entwickelt, die ein Hydrogelelektrolyt und ein elektrochemisches Abscheidungsverfahren für Mangandioxid verwendet und eine Zyklenlebensdauer von über 900 Zyklen erreicht. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „ACS Omega“ veröffentlicht.
Wässrige Zink-Ionen-Batterien verwenden Zink als Anodenmaterial und wässrige Elektrolyte anstelle organischer Lösungsmittel. Herkömmliche wässrige Zink-Ionen-Batterien sind durch Dendritenwachstum eingeschränkt, wobei sich beim Ladevorgang nadelförmige Metallzinkablagerungen bilden, die den Separator durchdringen und Kurzschlüsse verursachen können. Das Forschungsteam führte ein Verbundhydrogel aus Polyvinylalkohol und Aramid-Nanofasern ein – die Aramid-Nanofasern stammen aus Kevlar, dem Material für kugelsichere Westen, und bilden ein dreidimensionales, poröses Netzwerk, das das Wachstum von Dendriten physikalisch blockiert. Das elektrochemische Abscheidungsverfahren ermöglicht es, dass die Mangandioxid-Kathode während des Montageprozesses direkt auf der Oberfläche des Stromsammlers wächst.
Der Herstellungsprozess verzichtet auf das Mischen von Pasten und Trocknungsschritte. Andrei erklärt: „Alle Schritte laufen in Wasser ab, wobei ein nicht brennbares Hydrogel verwendet wird, um Dendriten zu stabilisieren und ihr Wachstum zu unterdrücken. Dendriten sind winzige Metallstrukturen, die zum Versagen der Batterie führen können, und die Zugabe des Hydrogels macht den Batterieaufbau einfacher und sicherer.“ Diese wässrige Zink-Ionen-Batterie benötigt keine organischen Lösungsmittel und hat geringere Anforderungen an Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Herstellungsumgebung als herkömmliche Produktionslinien.
Die Kapazität bleibt nach 900 schnellen Lade- und Entladezyklen stabil. Andrei erklärt, dass diese wässrige Zink-Ionen-Batterie für Netzspeicher, Hausenergiesysteme und große Notstromaggregate geeignet sei – „in diesen Anwendungen müssen Batterien langlebig und sehr zuverlässig sein, auch wenn sie nicht die leistungsstärksten sind.“ Flexible Elektronik und tragbare medizinische Geräte sind ebenfalls potenzielle Anwendungsbereiche.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Peng Wang et al., Titel: „Quasi-Solid-State Zinc-Ion Batteries Based on Sol–Gel Transition and In Situ Electrodeposition of MnO₂“, veröffentlicht in: ACS Omega (2025). Zeitschrifteninfo: ACS Omega
