Wässrige Zink-Ionen-Batterien (AZIBs) könnten die Lösung sein, um kostengünstige Alternativen aus reichlich vorhandenen Rohstoffen herzustellen, und Wissenschaftler der Flinders University ebnen den Weg für die Herstellung einfacher und praktischer Polymer-AZIBs mit organischen Kathoden für eine nachhaltigere Energiespeichertechnologie.
„Wässrige Zink-Ionen-Batterien könnten praktische Anwendungen finden“, sagt Zhongfan Jia, außerordentlicher Professor für Chemie und Nanotechnologieforscher am College of Science and Engineering der Flinders University.
Rohstoffe schwinden schnell
Von Elektrofahrzeugen bis hin zu tragbaren elektronischen Geräten – die Nachfrage und der Verbrauch von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) haben zu Ressourcenengpässen und Problemen in der Lieferkette für strategische Metalle wie Lithium und Kobalt geführt. Gleichzeitig verursachen Millionen von Altbatterien, von denen die meisten nicht ordnungsgemäß recycelt werden, enorme Abfallmengen und Umweltrisiken – die zukünftige Alternativen wie AZIBs versprechen zu reduzieren.
„Unter diesen Alternativen stechen AZIBs aufgrund der weitaus größeren Verfügbarkeit von Zink in der Erdkruste (zehnmal mehr als Lithium) sowie ihrer geringen Toxizität und hohen Sicherheit hervor.“
AZIBs verwenden in der Regel Zinkmetall als Anode und anorganische oder organische Verbindungen als Kathode. Während bereits umfangreiche Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Stabilität von Zinkanoden durchgeführt wurden, besteht weiterhin ein großer Bedarf an leistungsstarken Kathoden, was nach wie vor eine große Herausforderung darstellt.
„Unsere Forschung zielt darauf ab, die Leitfähigkeit mithilfe von Kathoden aus Nitroxid-Radikal-Polymeren zu steigern, die aus kostengünstigem handelsüblichem Polymer hergestellt werden, und die Batterieleistung durch den Einsatz kostengünstiger Additive zu optimieren“, sagt Associate Professor Jia, der eine Forschungsgruppe leitet, die sich mit nachhaltigen Polymeren für Energie und Umwelt befasst. „Im Rahmen unserer Arbeit haben wir den Einsatz von Kathoden aus Nitroxid-Radikal-Polymeren mit hohem Redoxpotential in AZIBs neu bewertet und die bislang höchste Massenbeladung erzielt“, erklärt er.
Erste erfolgreiche Tests
Im Rahmen der Studie, die von Nanduni Gamage, einem Masterstudenten an der Flinders University, und dem Postdoktoranden Dr. Yanlin Shi geleitet wurde, wurde eine im Labor hergestellte Pouch-Batterie entwickelt, bei der skaliertes Polymer (zu Kosten von etwa 20 $/kg), ein fluorfreier Zn(ClO4)2-Elektrolyt, sowie BP 2000-Ruß (1 $/kg) ohne Bindemittel entwickelt, um eine Kapazität von fast 70 mAh g-1 und eine mittlere Entladungsspannung von 1,4 V zu erzielen.
Bei einer Massenbeladung von 50 mg/cm2 wies die Beutelbatterie eine Kapazität von 60 mAh auf, womit sich ein kleiner elektrischer Ventilator und ein Modellauto problemlos betreiben lassen.
Die an der Studie beteiligten Forscher, darunter Dr. Jesús Santos-Peña von der Université Paris Est Créteil CNRS in Frankreich, arbeiteten mit weiteren Experten des Instituts für Nanowissenschaft und -technologie der Flinders University zusammen.
