de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Sungkyunkwan-Universität in Südkorea hat ein neuartiges Elektrolytadditiv entwickelt, das die Lebensdauer wässriger Batterien verlängert und ihre Kapazität erhöht. Wässrige Batterien gelten als sicherer und kostengünstiger als Lithium-Ionen-Batterien, waren jedoch bisher durch instabile Zinkablagerungen und Nebenreaktionen eingeschränkt.
Das Team unter der Leitung von Professor Hoseok Park von der Sungkyunkwan-Universität (SKKU) hat herausgefunden, dass die Zugabe einer geringen Menge eines speziell entwickelten zwitterionischen Materials zum Elektrolyten dazu beiträgt, die entscheidenden Probleme zu überwinden, die die Kommerzialisierung wässriger Batterien behindern. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien verwenden wässrige Batterien einen wasserbasierten Elektrolyten, der nicht brennbar, umweltfreundlicher und kostengünstiger in der Herstellung ist. Ihre Leistung wurde jedoch lange Zeit durch instabile Zinkablagerungen sowie Nebenreaktionen zwischen der Zinkelektrode und dem Wasser während des Lade- und Entladevorgangs beeinträchtigt, die zu Korrosion, ungleichmäßiger Metallablagerung und schnellem Kapazitätsverlust führen, die Batterielebensdauer verkürzen und gleichzeitig großflächige Anwendungen einschränken.
Um diese Probleme zu lösen, entwickelten die Forscher ein zwitterionisches Additiv namens C10. Zwitterionen tragen sowohl positive als auch negative Ladungen im selben Molekül und können auf einzigartige Weise mit umgebenden Ionen interagieren. Wenn C10 dem Elektrolyten zugesetzt wird, organisieren sich die Moleküle spontan zu Nanostrukturen mit einem Durchmesser von etwa 3,77 Nanometern. Dies führt einerseits dazu, dass Zinkionen gleichmäßiger auf der Elektrodenoberfläche abgeschieden werden, wodurch die Bildung unregelmäßiger Zinkstrukturen reduziert wird; andererseits bildet sich auf der Zinkmetalloberfläche eine dünne Schutzschicht, die den direkten Kontakt mit Wasser verhindert und Nebenreaktionen unterdrückt.
Diese kombinierten Effekte führten zu einer deutlichen Leistungssteigerung: Wässrige Batterien mit dem modifizierten Elektrolyten konnten stabil über 2.800 Stunden betrieben werden, mit einer Flächenkapazität von 8,10 mAh cm⁻². Das Forschungsteam gab an, dass dies ein führender Leistungswert sei, der bisher für wässrige Batteriesysteme berichtet wurde. Professor Park erklärte, dass durch die einfache Zugabe einer geringen Materialmenge eine erhebliche Leistungssteigerung erzielt werden könne, ohne dass teure Materialien oder komplexe Herstellungsverfahren erforderlich seien.
Die gleichzeitige Verbesserung der Zyklenlebensdauer und der Speicherkapazität ist eine langjährige Herausforderung bei der Entwicklung wässriger Batterien, bei der viele bisherige Methoden oft nur einen Aspekt verbessern konnten. Die neue Elektrolytstrategie kann beide Probleme gleichzeitig lösen, ohne teure Änderungen in der Herstellung zu erfordern. Die Forscher glauben, dass diese Technologie für großflächige Energiespeicheranwendungen geeignet ist, bei denen Sicherheit, Kosten und Haltbarkeit entscheidende Faktoren sind. Neben der Speicherung erneuerbarer Energien hat die Technologie auch Potenzial für den Einsatz in großen Infrastruktur- und Energiespeichersystemen für künstliche Intelligenz und Rechenzentren. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Nano-Micro Letters“ veröffentlicht.
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