Das Kompetenzzentrum für erneuerbare Energien und Speichertechnologien (CREST) zeigt, dass Sulfationen die Menge an freiem Wasser reduzieren und so die Lebensdauer und Leistung von Wasserbatterien erhöhen.
Wissenschaftler der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) haben eine entscheidende molekulare Ursache entdeckt, die verhindert, dass wässrige wiederaufladbare Batterien zu einer sichereren und wirtschaftlicheren Option für die nachhaltige Energiespeicherung werden. Ihre in Science Advances veröffentlichten Ergebnisse zeigen, wie Wasser die Lebensdauer und Leistung von Batterien beeinträchtigt und wie die Zugabe von kostengünstigen Salzen – wie Zinksulfat – dieses Problem mindert und sogar die Lebensdauer der Batterie um mehr als das Zehnfache erhöht.
Parasitäre Reaktionen an der Anode eindämmen
Einer der wichtigsten Faktoren für die Lebensdauer einer Batterie – ob wässrig oder nicht – ist die Anode. Chemische Reaktionen an der Anode erzeugen und speichern die Energie der Batterie. Parasitäre chemische Reaktionen zersetzen jedoch die Anode und beeinträchtigen so die Lebensdauer der Batterie.
Die neue Studie zeigt, wie freies Wasser zu diesen parasitären Reaktionen beiträgt und wie Zinksulfat die Menge an freiem Wasser in der Batterie reduziert.
„Unsere Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Wasserstruktur in der Batteriechemie, einem wichtigen Parameter, der bisher übersehen wurde“, sagte KAUST-Professor und CREST-Vorsitzender Husam Alshareef, der leitende Forscher der Studie.
Freies Wasser beschreibt Wassermoleküle, die nicht stark an andere Moleküle gebunden sind. In diesem Zustand kann freies Wasser mit mehr Molekülen als sonst in Kontakt treten, was unerwünschte Reaktionen auslöst, die Energie verbrauchen und die Anode beeinträchtigen. Es wurde festgestellt, dass Sulfat die Bindungen von freiem Wasser stabilisiert und als eine Art „Wasserleim“ wirkt, wie es das KAUST-Team beschreibt, um die Dynamik der Wassermoleküle zu verändern und so die Anzahl der parasitären Reaktionen zu reduzieren.
Während der Großteil der Experimente der KAUST-Forscher an Batterien mit Zinksulfat durchgeführt wurde, haben erste Untersuchungen gezeigt, dass Sulfat die gleiche Wirkung auf andere Metallanoden hat, was darauf hindeutet, dass die Einbeziehung von Sulfatsalzen in das Batteriedesign eine universelle Lösung zur Verlängerung der Lebensdauer aller wässrigen Batterien sein könnte.
Sulfatsalze sind kostengünstig, weit verbreitet und chemisch stabil, was unsere Lösung wissenschaftlich und wirtschaftlich rentabel macht", sagte Yunpei Zhu, Forschungswissenschaftler an der KAUST, der den Großteil der Experimente durchgeführt hat.
Wässrige Batterien: eine sicherere und nachhaltigere Option
Wässrige Batterien finden weltweit zunehmend Beachtung als nachhaltige Lösung für die großtechnische Energiespeicherung und sollen bis 2030 einen Marktwert von über 10 Milliarden US-Dollar erreichen. Im Gegensatz zu Lithiumbatterien, die häufig in Elektrofahrzeugen verwendet werden, bieten wässrige Batterien eine sicherere und nachhaltigere Option für die Integration erneuerbarer Energiequellen wie Solarenergie in Stromnetze, was ein wichtiges Ziel für die Energiewende in Saudi-Arabien ist.
Die KAUST-Professoren Omar Mohammed, Osman Bakr, Xixiang Zhang und Mani Sarathy haben ebenfalls zu der Studie beigetragen. Alshareef merkte an, dass die Zusammenführung von CREST-Wissenschaftlern mit sich ergänzenden Hintergründen, wie Batteriedesign, elektrochemische Modellierung und experimentelle Werkzeuge wie fortschrittliche Spektroskopie und Mikroskopie, für die Entdeckung von entscheidender Bedeutung war.
„CREST wurde gegründet, um eine führende Rolle bei der Innovation im Bereich erneuerbare Energien im Königreich zu übernehmen. Die hier beschriebene dramatische Verbesserung der Leistung und Stabilität von Wasserstoffbatterien ist nur ein Beispiel dafür, was CREST durch die Nutzung der hochkarätigen und vielfältigen Fähigkeiten seiner Mitglieder erreichen kann“, sagte er.
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