Neue Art sicherer lithiumfreier Akku entwickelt

Fachleute des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) haben eine innovative Elektrode entwickelt, die eine hohe Kapazität und schnelles Laden für wasserbasierte Zirkonium- und Zirkonium-Ionen-Batterien ermöglicht. Laut ixbt.com dürfte dieser Durchbruch ein wichtiger Schritt zur Entwicklung einer sichereren und günstigeren Alternative zu herkömmlichen Lithiumgeräten auf dem Energiespeichermarkt sein. Ixbt.com berichtet .

Wasserbasierte Zirkonium-Ionen-Batterien gelten derzeit als vielversprechende Option für stationäre Energiespeichersysteme. Da sie einen wasserbasierten, feuerbeständigen Elektrolyten und kostengünstige Rohstoffe verwenden, gelten sie als sicherer und wirtschaftlicher als herkömmliche Lithiumsysteme. Ihre breite Einführung wurde bislang jedoch durch eine unzureichende Energiekapazität und Schwierigkeiten beim schnellen Laden behindert.

Innovativer Ansatz und spezielle Struktur

Insbesondere die hohe Beweglichkeit der Protonen im wässrigen Elektrolyten führte zu unerwünschten Nebenreaktionen auf der Elektrodenoberfläche und beeinträchtigte dadurch die Batterieleistung. Statt dieses Hindernis zu umgehen, beschloss das KAIST-Team, Protonen in einen zusätzlichen Energiespeichermechanismus umzuwandeln. Dafür setzten die Forschenden ein zweidimensionales poröses Material ein, das als metallorganisches Gerüst bezeichnet wird.

Die Forschenden brachten in den mikroskopisch kleinen Poren des Materials spezielle, spannungsabhängig reagierende Aminosäuregruppen an. Dadurch nimmt die Elektrode bei hoher Spannung zunächst relativ große Zirkonium-Ionen auf. Sinkt die Spannung, werden die Aminogruppen aktiv, und die verbleibenden Zwischenräume werden von kleinen, schnell beweglichen Protonen gefüllt.

Hohe Effizienz und praktische Ergebnisse

Die Wissenschaftler vergleichen diesen Prozess damit, zunächst große Steine in einen Behälter zu legen und anschließend die Zwischenräume mit Sand zu füllen. Diese Anordnung ermöglicht eine effizientere Nutzung des Elektrodenvolumens und verringert die Wahrscheinlichkeit von Nebenreaktionen erheblich. Die im Experiment entwickelte Elektrode erreichte eine spezifische Kapazität von 368,7 mA·soat/g.

Das Gerät behielt Berichten zufolge selbst bei einer 16-fachen Erhöhung der Lade- und Leistungsabgaberate 46,9 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität und überstand mehr als 500 Schnellladezyklen. Röntgenuntersuchungen bestätigten praktisch, dass der Prozess tatsächlich in dieser Reihenfolge abläuft: Zuerst werden Zirkonium-Ionen eingelagert, danach Protonen.

Experten zufolge liegt der entscheidende Punkt nicht nur in einem bestimmten Material, sondern auch im Prinzip, die Reihenfolge der Ansammlung verschiedener Ionen zu steuern. Dieser Ansatz könnte künftig auf andere Elektrodentypen übertragen werden und die Entwicklung von Akkus der nächsten Generation ermöglichen, die hohe Kapazität und schnelles Laden verbinden.