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 des Forschungsteams auf diesen Batterietyp beruht auf dem Wunsch, eine größere Kontrolle über die inländische Lieferkette zu haben, 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 prognostizierte Materialknappheit eintreten, wird der Preis für Lithium-Ionen-Batterien stark steigen. Wenn wir eine alternative Batterie haben, können wir auf diese Chemie zurückgreifen, wo die Versorgung viel stabiler ist, weil wir sie in den Vereinigten Staaten herstellen können und die Materialien für ihre Herstellung hier verfügbar sind.“

Lutkenhaus sagte auch, 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 entscheidend für die Ionenleitung und die Energiespeicherung durch Wechselwirkung mit der Elektrode.

„Wenn die Elektrode während ihrer Zyklen zu stark anschwillt, kann sie die Elektronen nicht mehr gut leiten und die Gesamtleistung geht verloren“, sagte sie. „Ich glaube, dass es je nach Wahl des Elektrolyten aufgrund von Quellungseffekten einen 1.000-prozentigen Unterschied in der Energiespeicherkapazität gibt.“

Ihrer Arbeit zufolge sind redoxaktive, nicht konjugierte radikalische Polymere (Elektroden) aufgrund der hohen Entladespannung und der schnellen Redoxkinetik der Polymere 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 lieferten Einblicke in das mikroskopische molekulare Bild von Struktur und Dynamik.

„Theorie und Experiment arbeiten oft eng zusammen, um diese Materialien zu verstehen. „Eines der neuen Dinge, die wir in dieser Arbeit rechnerisch machen, besteht darin, die Elektrode tatsächlich auf mehrere Ladezustände aufzuladen und zu sehen, wie die Umgebung auf diese Aufladung 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. „Wir möchten unsere Simulationen nun auf zukünftige Systeme ausweiten. Wir mussten unsere Theorie über die Kräfte bestätigen, die eine solche Wasser- und Lösungsmittelinjektion 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 liefert uns starke Beweise und Orientierungshilfen für die Weiterentwicklung des Materialdesigns“, sagte Tabor.