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Jul 05, 2023
Stabilisierte Zinkanode zur Verbesserung der Zinkleistung
Professor Soojin Park und Gyujin Song vom Fachbereich Chemie und Doktorand Sangyeop Lee von der Abteilung für fortgeschrittene Materialwissenschaften bei POSTECH haben ein stabiles wässriges Zinkion geschaffen
Professor Soojin Park und Gyujin Song vom Fachbereich Chemie und Doktorand Sangyeop Lee von der Abteilung für fortgeschrittene Materialwissenschaften bei POSTECH haben eine stabile wässrige Zink-Ionen-Batterie entwickelt, die Wasser als Elektrolyt verwendet. Das Team verwendete eine schützende Polymerschicht, um Elektrodenkorrosion zu verhindern und die Stabilität der Zinkanode zu erhöhen. Dies verbesserte anschließend die elektrochemische Stabilität der wässrigen Zink-Ionen-Batterie.
Die Studie mit dem Titel „Ionenselektive und chemisch schützende elastische Blockcopolymer-Interphase für dauerhafte Zinkmetallanode“ wurde in Cell Reports Physical Science veröffentlicht.
Lithium-Ionen-Batterien sind für Hersteller die vorherrschende Technologie der Wahl, sie werden in Mobiltelefonen und Laptops verwendet und haben eine wachsende Bedeutung für den Einsatz in sauberen Energietechnologien wie Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien. Diese Batterien sind leicht und haben eine hohe Kapazität, was sie für eine Vielzahl von Anwendungen vorteilhaft macht.
Allerdings gibt es bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien Sicherheitsprobleme, da die darin verwendeten organischen Elektrolyte leicht entflammbar sind und zu tödlichen Bränden oder Explosionen führen können. Da Lithium-Ionen-Batterien von großer Bedeutung sind und in unserem täglichen Leben häufig verwendet werden, können diese Unfälle zu direkten Schäden für die Benutzer führen. Dies hat zu einer Nachfrage nach einer sichereren Batterietechnologie geführt.
Um die Probleme eines brennbaren Elektrolyten auf Basis organischer Lösungsmittel zu überwinden, werden wässrige Elektrolytbatterien als potenzieller Ersatz entwickelt. Diese Batterien sind eigensicher, haben eine hohe Ionenleitfähigkeit und bieten wirtschaftliche Vorteile.
Obwohl Zink-Ionen-Batterien die Sicherheitsprobleme von Lithium-Ionen-Batterien überwinden können, weist die Zinkanode in wässrigen Elektrolyten eine schlechtere Reversibilität auf. Diese werden durch Zinkdendriten und oberflächenseitige Reaktionen verursacht und verhindern den Einsatz von Zink-Ionen-Batterien.
Um die Leistung der Zink-Ionen-Batterie zu verbessern, entwickelte das POSTECH-Forschungsteam eine Zinkanode, die mithilfe eines Blockcopolymers mit einer multifunktionalen Schutzschicht beschichtet ist. Während des Ladens und Entladens der Batterie kann die neue Polymerschicht aufgrund ihrer Elastizität eine Volumenausdehnung ertragen.
Auch die Lebensdauer der Zinkanode verlängerte sich durch die Verwendung der Polymerschutzschicht, da die Forscher herausfanden, dass sie eine homogenisierte Ionenverteilung induziert und dendritisches Wachstum unterdrückt. Auch die Elektrodenstabilität wurde verbessert, da die dünne Filmschicht unnötige chemische und elektrochemische Reaktionen im Elektrolyten auf der Elektrodenoberfläche verhinderte.
Mithilfe der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrieanalyse (TOF-SIMS) konnten die Forscher auch die Bewegung von Zinkionen in der Beschichtungsschicht aufdecken. Die erfolgreiche Abbildung von Zinkionenbewegungen verspricht weitere Forschung zu den Oberflächeneigenschaften von Batterieanoden.
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