Wässrige Zink-Ionen-Batterien (AZIBs) könnten die Antwort auf die Frage sein, wie kostengünstige Alternativen aus reichlich vorhandenen Rohstoffen hergestellt werden kann. Wissenschaftler der Flinders University ebnen den Weg für die Herstellung einfacher und praktischer Polymer-AZIBs mit organischen Kathoden für eine nachhaltigere Energiespeichertechnologie. „Wässrige Zink-Ionen-Batterien könnten in der realen Welt Anwendung finden“, sagt Zhongfan Jia, Professor für Chemie und Nanotechnologie am College of Science and Engineering der Flinders University.
Die Nachfrage und der Verbrauch von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) – von Elektrofahrzeugen bis hin zu tragbaren elektronischen Geräten – haben zu einer Verknappung der Ressourcen und zu Problemen in der Lieferkette für strategische Metalle wie Lithium und Kobalt geführt. In der Zwischenzeit haben Millionen von Altbatterien, von denen die meisten nicht ordnungsgemäß recycelt werden, enorme Abfallmengen und Umweltrisiken verursacht, die durch künftige Alternativen wie AIZBs verringert werden könnten. „Unter diesen Alternativen stechen AZIBs hervor, weil Zink in der Erdkruste viel häufiger vorkommt (zehnmal mehr als Lithium) und weil sie eine geringe Toxizität und hohe Sicherheit aufweisen.
Zinkmetall als Anode
AZIBs verwenden normalerweise Zinkmetall als Anode und anorganische oder organische Verbindungen als Kathode. Es wurde zwar viel Arbeit in die Verbesserung der Stabilität von Zinkanoden gesteckt, doch hochleistungsfähige Kathoden sind erforderlich und bleiben eine große Herausforderung. „Unsere Forschung baut die Leitfähigkeit mit Hilfe von Nitroxid-Radikalpolymer-Kathoden auf, die aus billigen kommerziellen Polymeren hergestellt werden, und optimiert die Batterieleistung mit kostengünstigen Additiven“, sagt Professor Jia, der eine Forschungsgruppe leitet, die an nachhaltigen Polymeren für Energie und Umwelt arbeitet.
„Unsere Arbeit hat die Verwendung von Nitroxid-Radikalpolymer-Kathoden mit hohem Redoxpotential in AZIBs neu bewertet und die bisher höchste Massenbeladung erzielt“, sagt er über einen neuen Online-Artikel in der Fachzeitschrift Energy Storage Materials.
Elektrische Leistung
In der Studie, die von Flinders-Masterstudent Nanduni Gamage und Postdoc-Stipendiat Dr. Yanlin Shi geleitet wurde, wurde eine im Labor hergestellte Taschenbatterie entwickelt, die unter Verwendung eines skalierten Polymers (Kosten circa 20 US-Dollar/kg), eines nicht fluorierten Zn(ClO4)2-Elektrolyten und BP 2000-Ruß (1 US-Dollar/kg) ohne Bindemittel eine Kapazität von fast 70 mAh g-1 und eine mittlere Entladespannung von 1,4 V aufweist. Bei einer Massenbeladung von 50 mg cm-2 hatte die Beutelbatterie eine Kapazität von 60 mAh, mit der ein kleiner elektrischer Ventilator und ein Modellauto problemlos betrieben werden können.
