Wasserbasierte Batterien können eine Alternative zu Lithium sein

Metallfreie Batterien auf Wasserbasis sind einzigartig und völlig anders als solche, die Kobalt in seiner Lithium-Ionen-Form verwenden. Der Fokus der Forschungsgruppe auf diesen Batterietyp entspringt dem Wunsch nach einer stärkeren Kontrolle über die inländische Lieferkette, da Kobalt und Lithium normalerweise aus anderen Ländern bezogen werden. Darüber hinaus könnte eine sicherere Batteriechemie mögliche Brände verhindern.

Chemieingenieurprofessor Dr. Jodie Lutkenhaus und Assistenzprofessorin für Chemie Dr. Daniel Tabor veröffentlichte ihre Erkenntnisse zu lithiumfreien Batterien in der Fachzeitschrift Nature Materials.

„Es würde keine Batteriebrände mehr geben, weil alles auf Wasser basiert“, sagte Lütkenhaus. Sollte in Zukunft die erwartete Materialknappheit eintreten, dürfte der Preis für Lithium-Ionen-Batterien steigen. Wenn wir eine alternative Batterie haben, können wir auf diese chemische Zusammensetzung zurückgreifen, bei der die Versorgung viel stabiler ist, weil wir sie in den Vereinigten Staaten von Amerika herstellen können und die Materialien für ihre Herstellung hier verfügbar sind.“

Lutkenhaus sagte, dass Wasserbatterien aus einer Kathode, einem Elektrolyten und einer Anode bestehen. Kathoden und Anoden sind Polymere, die Energie speichern können, und der Elektrolyt ist Wasser, gemischt mit organischen Salzen. Der Elektrolyt ist der Schlüssel zur Ionenleitfähigkeit und Energiespeicherung durch Wechselwirkung mit der Elektrode.

»Če Elektrode auch während ihrer Zyklenč „Es schwillt an, dann kann es Elektronen nicht mehr gut übertragen und man verliert seine gesamte Leistungsfähigkeit“, sagte sie. „Ich glaube, dass es je nach Wahl des Elektrolyten aufgrund von Quellungseffekten einen 1.000-prozentigen Unterschied in der Energiespeicherkapazität gibt.“

Laut ihrem Artikel sind redoxaktive, nicht konjugierte radikalische Polymere (Elektroden) aufgrund der hohen Entladespannung der Polymere und der schnellen Redoxkinetik vielversprechende Kandidaten für metallfreie Wasserbatterien. Die Reaktion ist komplex und aufgrund der gleichzeitigen Übertragung von Elektronen, Ionen und Wassermolekülen schwer zu lösen.

Tabors Forschungsgruppe ergänzte die experimentellen Bemühungen durch Computersimulationen und Analysen. Die Simulationen ermöglichten Einblicke in das mikroskopische molekulare Bild von Struktur und Dynamik.

„Theorie und Experiment arbeiten beim Verständnis dieser Materialien oft eng zusammen. Eines der neuen Dinge, die wir in diesem Artikel rechnerisch durchführen, besteht darin, die Elektrode tatsächlich auf mehr als aufzuladen „Wir beobachten den Ladezustand und sehen, wie die Umgebung auf diese Ladung reagiert“, sagte Tabor.

Die Forscher beobachteten makroskopisch, ob die Kathode der Batterie in Gegenwart bestimmter Salzarten besser funktionierte, indem sie genau maßen, wie viel Wasser und Salz während des Betriebs in die Batterie gelangten.

„Wir haben dies getan, um zu erklären, was wir experimentell beobachtet haben“, sagte er. „Jetzt möchten wir unsere Simulationen auf zukünftige Systeme ausweiten.“ Wir mussten unsere Theorie über die Kräfte bestätigen, die eine solche Injektion von Wasser und Lösungsmittel antreiben.“

„Mit dieser neuen Energiespeichertechnologie sind wir der Lithium-freien Batterie einen Schritt näher gekommen.“ „Auf molekularer Ebene haben wir eine bessere Vorstellung davon, warum einige Batterieelektroden besser funktionieren als andere, und das gibt uns starke Beweise und Orientierungshilfen für die Weiterentwicklung des Materialdesigns“, sagte Tabor.