Forscher der University of Adelaide haben eine neue Trockenelektrode für wässrige Batterien entwickelt, die Kathoden mit mehr als der doppelten Leistung von Jod- und Lithium-Ionen-Batterien liefert. „Wir haben eine neue Elektrodentechnik für Zink-Jod-Batterien entwickelt, bei der die herkömmliche Nassmischung von Jod vermieden wird“, sagte Professor Shizhang Qiao von der University of Adelaide, Lehrstuhl für Nanotechnologie und Direktor des Centre for Materials in Energy and Catalysis an der School of Chemical Engineering, der das Team leitete.
„Wir haben die aktiven Materialien als trockene Pulver gemischt und sie zu dicken, selbsttragenden Elektroden gewalzt. Gleichzeitig fügten wir dem Elektrolyten eine kleine Menge einer einfachen Chemikalie namens 1,3,5-Trioxan hinzu, die sich während des Aufladens in einen flexiblen Schutzfilm auf der Zinkoberfläche verwandelt. Dieser Film verhindert, dass das Zink scharfe Dendriten bildet – nadelartige Strukturen, die sich während des Ladens und Entladens auf der Oberfläche der Zinkanode bilden und die Batterie kurzschließen können“, so Qiao.
Rekordbeladung und hohe Zyklenstabilität mit neuem Elektrodenansatz
Wässrige Zink-Jod-Batterien bieten unvergleichliche Sicherheits-, Nachhaltigkeits- und Kostenvorteile für die Speicherung im Netz, haben aber im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien mit Leistungsproblemen zu kämpfen. „Die neue Technik für die Elektrodenvorbereitung führte zu einer rekordverdächtigen Beladung von 100 mg aktivem Material pro cm2“, so Han Wu von der University of Adelaide, Research Associate, School of Chemical Engineering, aus dem Team, das an der Studie arbeitete. Nach dem Aufladen der von uns hergestellten Beutelzellen mit den neuen Elektroden behielten sie nach 750 Zyklen 88,6 Prozent ihrer Kapazität, und die Münzzellen behielten nach 500 Zyklen fast 99,8 Prozent ihrer Kapazität. Wir haben direkt beobachtet, wie sich der Schutzfilm auf dem Zink bildet, indem wir Synchrotron-Infrarotmessungen durchgeführt haben.“
Eine hohe Jodbeladung und eine robuste Zinkoberfläche bedeuten, dass in jeder Batterie viel mehr Energie bei geringerem Gewicht und geringeren Kosten gespeichert werden kann. Dies könnte Zink-Jod-Batterien für den realen Einsatz in großem Maßstab oder als Netzspeicher näher bringen.
Technologische Vorteile gegenüber herkömmlicher Batterietechnik
Die Erfindung des Teams hat mehrere Vorteile gegenüber der bestehenden Batterietechnologie:
Höhere Kapazität: Die Trockenelektroden enthalten mehr aktives Material als nass verarbeitete Elektroden, deren Höchstwert in der Regel unter 2 mA h cm-2 liegt.
Geringere Selbstentladung und weniger Shuttle-Verluste: Die dichten Trockenelektroden verringern das Entweichen von Jod in den Elektrolyten und damit die Beeinträchtigung der Leistung.
Bessere Zinkstabilität: Ein Schutzfilm vor Ort verhindert das Wachstum von Dendriten, was zu einer wesentlich längeren Lebensdauer führt.
Potenzial für Energiespeicher im Netz
„Die neue Technologie wird Anbietern von Energiespeichern zugute kommen – insbesondere für die Integration erneuerbarer Energien und den Netzausgleich –, da sie kostengünstigere, sicherere und langlebigere Batterien bietet. Branchen, die große, stabile Energiespeicher benötigen, wie zum Beispiel Versorgungsunternehmen und Microgrids, könnten diese Technologie früher einsetzen“, so Professor Qiao.
Das Team plant, die Technologie weiterzuentwickeln, um ihre Möglichkeiten zu erweitern. „Die Produktion der Elektroden könnte durch den Einsatz der Rolle-zu-Rolle-Fertigung erhöht werden“, so Professor Qiao. „Durch die Optimierung leichterer Stromabnehmer und die Verringerung des Elektrolytüberschusses könnte die Energiedichte des Gesamtsystems von etwa 45 Wattstunden pro Kilogramm (Wh kg-1) auf etwa 90 Wh kg-1 verdoppelt werden. Wir werden auch die Leistung anderer Halogenchemien, wie zum Beispiel Bromsysteme, unter Verwendung desselben Trockenverfahrensansatzes testen.“
