Dieser „Störenfried“ soll Wasserbatterien mehr Energie speichern lassen
Forschende steuern erstmals gezielt, wann Zink-Ionen und Protonen in einer MOF-Elektrode reagieren – und erhöhen so die Speicherkapazität.
Ausgerechnet Protonen sollen wässrige Zinkbatterien leistungsfähiger machen. Ein neues MOF steuert, wann Zink-Ionen und Protonen Energie speichern. Symbolbild.
Foto: Smarterpix / ClassyCatStudio
Protonen können in wässrigen Zink-Ionen-Batterien zum Problem werden. Reagieren sie zum falschen Zeitpunkt, entstehen Nebenprodukte, die den Transport der Zink-Ionen behindern. Forschende aus Südkorea versuchen deshalb nicht, die Protonen vollständig aus dem Speicherprozess herauszuhalten. Sie steuern vielmehr gezielt, wann sie zum Einsatz kommen – und nutzen sie anschließend zur zusätzlichen Ladungsspeicherung.
Ein Team um Sarah S. Park vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hat dafür ein neues Elektrodenmaterial entwickelt. Es nimmt zunächst Zink-Ionen und erst danach Protonen auf. Möglich wird das durch ein gezielt funktionalisiertes zweidimensionales metallorganisches Gerüst, kurz MOF.
Die Arbeit ist im Fachjournal Chem erschienen.
Inhaltsverzeichnis
Warum Zink-Ionen-Batterien interessant sind
Wässrige Zink-Ionen-Batterien nutzen einen Elektrolyten auf Wasserbasis. Das hat einen wichtigen Vorteil: Anders als die organischen Elektrolyte vieler Lithium-Ionen-Batterien ist er deutlich weniger brandgefährlich. Gleichzeitig ist Zink vergleichsweise günstig und gut verfügbar. Vor allem für große stationäre Stromspeicher ist die Technik deshalb interessant.
Allerdings hat sie auch Schwächen. Zink-Ionen tragen zwei positive Ladungen und sind im Elektrolyten von Wassermolekülen umgeben. Dadurch bewegen sie sich vergleichsweise schwer durch das Elektrodenmaterial. Viel Energie zu speichern und gleichzeitig schnell zu laden und zu entladen, lässt sich deshalb nur schwer miteinander verbinden.
Protonen sind deutlich kleiner und beweglicher. Sie können ebenfalls Ladung speichern – und genau das ist in Zinkbatterien schon länger bekannt. Problematisch wird es, wenn sie zu früh reagieren: Dann können Nebenprodukte entstehen, die den Weg für die Zink-Ionen blockieren und die Leistung der Batterie verschlechtern.
Genau dieses Problem wollen die Forschenden nun umgehen.
Erst Zink-Ionen, dann Protonen
Die Forschenden versuchen nicht, die Protonen aus dem Speicherprozess herauszuhalten. Stattdessen steuern sie gezielt, wann diese reagieren.
Dafür nutzen sie ein leitfähiges, zweidimensionales metallorganisches Gerüst, kurz MOF. Solche Materialien bestehen aus Metallzentren und organischen Molekülen und besitzen viele winzige Poren. Ihre chemischen Eigenschaften lassen sich gezielt verändern.
In diese Poren baute das Team sogenannte Amin-Gruppen ein. Sie sorgen dafür, dass Protonen erst in einem bestimmten Spannungsbereich an der Ladungsspeicherung teilnehmen.
So entsteht eine feste Reihenfolge: Zuerst werden Zink-Ionen gespeichert, danach zusätzlich Protonen.
Das ist entscheidend. Würden die Protonen zu früh reagieren, könnten Nebenprodukte entstehen, die den Transport der Zink-Ionen behindern. Im neuen Material werden beide Speicherprozesse zeitlich beziehungsweise elektrochemisch voneinander getrennt.
368,7 mAh/g im Labortest
Im Labor erreichte das neue Elektrodenmaterial eine spezifische Kapazität von 368,7 mAh/g bei einer Stromdichte von 0,5 A/g. Vereinfacht gesagt: Schon eine kleine Menge des Materials kann vergleichsweise viel elektrische Ladung speichern.
Der Wert gilt allerdings nur für das untersuchte Elektrodenmaterial – nicht für eine komplette Batterie. In einer fertigen Zelle kommen weitere Bestandteile hinzu, etwa Anode, Elektrolyt, Separator und Gehäuse.
Auch bei deutlich schnellerem Laden und Entladen blieb ein großer Teil der Kapazität erhalten. Bei einer 16-fach höheren Stromdichte waren es noch 46,9 % des Ausgangswerts.
Bei den Haltbarkeitstests zeigte sich ebenfalls ein recht stabiles Verhalten: Nach 500 schnellen Lade- und Entladezyklen verfügte das Material noch über 83,6 % seiner ursprünglichen Kapazität.
Röntgenmessungen bestätigen die Reihenfolge
Mit verschiedenen Röntgenverfahren überprüfte das Team, ob die Speicherung tatsächlich wie geplant abläuft. Die Messungen bestätigten: Zuerst werden Zink-Ionen gespeichert, danach kommen die Protonen hinzu.
Auch die Protonenspeicherung funktioniert mehrfach. Beim Entladen werden die Protonen wieder freigesetzt und können im nächsten Ladezyklus erneut aufgenommen werden.
Neu ist dabei nicht, dass Protonen überhaupt an der Ladungsspeicherung beteiligt sind. Das ist bei wässrigen Zinkbatterien bereits bekannt.
Der entscheidende Fortschritt liegt in der gezielten Reihenfolge: Das Material ist so aufgebaut, dass Zink-Ionen und Protonen nacheinander und in unterschiedlichen Spannungsbereichen reagieren. Genau dadurch sollen sich störende Nebenreaktionen besser vermeiden lassen.
MOF kommen schon länger in Zinkbatterien zum Einsatz
Metallorganische Gerüste, kurz MOF, sind für Zink-Ionen-Batterien nicht grundsätzlich neu. Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass solche porösen Materialien Zink-Ionen aufnehmen und schnelles Laden und Entladen ermöglichen können.
Die neue Arbeit setzt an einem anderen Punkt an: Das Material wurde chemisch so verändert, dass zwei verschiedene Ladungsträger gezielt nacheinander genutzt werden können – zuerst Zink-Ionen, anschließend Protonen.
„Diese Studie zeigt, dass Protonen, die die Batterieleistung beeinträchtigen können, stattdessen zur Speicherung zusätzlicher Energie genutzt werden können“, erklärt Sarah S. Park.
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