Auf der Basis von Halogen-Multielektronentransfer Forscher entwickeln wässrige Batterie mit hoher Energiedichte

Herkömmliche nicht-wässrige Lithium-Ionen-Batterien haben eine hohe Energiedichte, aber ihre Sicherheit ist aufgrund der verwendeten entflammbaren organischen Elektrolyte beeinträchtigt.

Wässrige Batterien verwenden Wasser als Lösungsmittel für die Elektrolyte, was die Sicherheit der Batterien deutlich erhöht. Aufgrund der begrenzten Löslichkeit des Elektrolyten und der niedrigen Batteriespannung haben wässrige Batterien jedoch in der Regel eine geringere Energiedichte. Dies bedeutet, dass die pro Volumeneinheit einer wässrigen Batterie gespeicherte Strommenge relativ gering ist.

In einer Studie entwickelte eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Li Xianfeng vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Fu Qiang, ebenfalls vom DICP, eine Multielektronentransferkathode auf der Basis von Brom und Jod, die eine spezifische Kapazität von mehr als 840 Ah/L und eine Energiedichte von bis zu 1.200 Wh/L auf der Basis von Katholyt in vollständigen Batterietests erreicht.

Verbesserung der Energiedichte von wässrigen Batterien

Um die Energiedichte wässriger Batterien zu verbessern, verwendeten die Forscher eine gemischte Halogenlösung aus Iodid- (I^-) und Bromid-Ionen (Br^-) als Elektrolyt. Sie entwickelten eine Mehrelektronen-Transferreaktion, bei der Elektronen von Iodid-Ionen (I^-) auf elementares Iod (I₂) und dann auf Iodat (IO₃^-) übertragen werden. Während des Ladevorgangs wurde I^- auf der positiven Seite zu IO₃^- oxidiert, und das erzeugte H⁺ wurde in Form eines Stützelektrolyts auf die negative Seite geleitet. Während des Entladevorgangs wurde H⁺ von der positiven Seite abgeleitet und IO₃^- zu I^- reduziert.

Die von den Forschern entwickelte Multielektronentransferkathode hatte eine spezifische Kapazität von 840 Ah/L. Kombiniert man die Kathode mit metallischem Cd zu einer Vollbatterie, erreichten die Forscher auf der Basis des entwickelten Kathyten eine Energiedichte von bis zu 1200 Wh/L.

Verbesserung der Kinetik und der Reversibilität

Darüber hinaus bestätigten die Forscher, dass das dem Elektrolyten zugesetzte Br^- während des Ladevorgangs polares Jodbromid (IBr) erzeugt, das die Reaktion mit H₂O zur Bildung von IO₃^- erleichtert. Während der Entladung oxidierte IO₃^- Br^- zu Br₂ und nahm an der elektrochemischen Reaktion teil, um eine reversible und schnelle Entladung von IO₃^- zu ermöglichen. Das während des Lade- und Entladevorgangs gebildete Bromid-Zwischenprodukt optimierte die Reaktion und verbesserte die Kinetik und Reversibilität der elektrochemischen Reaktion.

Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von wässrigen Batterien

Die Gruppe von Prof. Fu wies den Multielektronentransferprozess durch optische Mikroskopie, Raman-Spektroskopie und so weiter nach. „Diese Studie liefert eine neue Idee für die Entwicklung von wässrigen Batterien mit hoher Energiedichte und könnte die Anwendungsmöglichkeiten von wässrigen Batterien im Bereich der Energiebatterien erweitern“, so Prof. Li.

Dieser Artikel wurde mit Deepl aus dem Englischen übersetzt.