Universität Bremen identifiziert zwei Barrieren für Entwicklung wässriger Zink-Ionen-Batterien

Unter den verschiedenen Materialien und Batteriechemien, die untersucht werden, um den weltweit wachsenden Bedarf an Energiespeicherung in verschiedenen Anwendungen zu decken und als Post-Lithium-Technologien gehandelt werden, ist die Zink-Ionen-Batterie im Vergleich zu anderen zurückgefallen. Es ist schwierig, die Nebenreaktionen zu kontrollieren, die sowohl die reversible Aufladung an der Anode begrenzen als auch das Auseinanderfallen der Kathode verursachen. Zink-Ionen-Batterien haben jedoch immer noch das Potenzial für eine gute Energiespeicherleistung aus billigen, reichlich vorhandenen Materialien.

Vor diesem Hintergrund hat eine Forschergruppe der Universität Bremen untersucht, welche Barrieren derzeit verhindern, dass sich wässrige Zink-Ionen-Batterien zu einer gängigen Speichertechnologie für Stromnetzanwendungen entwickeln. „Um die Kommerzialisierung von wässrigen Zink-Ionen-Batterien als kostengünstige und sichere Speicher für das stationäre Stromnetz voranzutreiben, sollten die Herausforderungen hervorgehoben werden, die noch zu bewältigen sind, sowie die Annahme guter experimenteller Praktiken, die erforderlich sind, um die akademischen Forschungsbemühungen mit den industriellen Arbeitsbedingungen in Einklang zu bringen, die für eine praktische Anwendung dieser Batterietechnologie vorgesehen sind“, erklärten sie.

Nach Ansicht der Wissenschaftler sind die beiden wichtigsten Herausforderungen, die in der künftigen Forschung angegangen werden müssen, die Erhöhung der spezifischen Energie der vollständigen Zink-Ionen-Zelle und die Verhinderung der parasitären Wasserstoffentwicklungsreaktion, die während der Zink-Elektroabscheidung auftritt. Besonderes Augenmerk sollte auf den Kreislauf des in der Anode auf Zink-Basis enthaltenen Zink(II)-Ions (Zn2+) in Bezug auf seine Gesamtmasse und die Entwicklung neuartiger Kathodenmaterialien gelegt werden, mit denen eine durchschnittliche Entladungsspannung der Zelle von mindestens 1,2 Volt erreicht werden kann.

„Darüber hinaus sollten sich die Forschungsbemühungen auch auf die Optimierung der Elektrolytzusammensetzung (zum Beispiel Additive) richten, mit dem Ziel, künftige Elektrolyte auf Wasserbasis zu entwickeln, um die parasitäre Wasserstoffentwicklungsreaktion an der Anode zu verhindern“, so die Forscher weiter. Sie fügten hinzu, dass die elektrochemischen Tests standardisiert und die experimentellen Daten immer über mindestens drei verschiedene Messungen gemittelt werden sollten.

Die Forschungsgruppe aus Bremen arbeitet derzeit an neuartigen Anoden auf Zinkbasis, an kostengünstigen umweltfreundlichen Kathodenmaterialien und an der Optimierung von Elektrolyten auf Wasserbasis. Ihre Ergebnisse stellen sie im Artikel „Open challenges and good experimental practices in the research field of aqueous Zn-ion batteries“ (Offene Herausforderungen und gute experimentelle Praktiken im Forschungsbereich wässriger Zink-Ionen-Batterien) vor, der kürzlich im Fachmagazin „Nature Communications“ erschien.