Der „neue Liebling“ der neuen Energie! Wie überwinden diese sogenannten „wässrigen“ Batterien die fatalen Mängel von Lithiumbatterien?

Energie ist die treibende Kraft für die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft. In den letzten Jahren sind mit der Festlegung der globalen Entwicklungsziele „Kohlenstoff-Spitzenwert und Kohlenstoffneutralität“ auch die großflächige Energiespeicherung auf Basis erneuerbarer Energien sowie die Popularisierung und Förderung von Fahrzeugen mit alternativer Energie zu einem unvermeidlichen Entwicklungstrend geworden. Der Bedarf der Menschen an sicheren, umweltfreundlichen, energiedichten und kostengünstigen Batterien wird immer dringlicher, was auch höhere Anforderungen an die Wissenschaftler stellt, die neue Batteriegeneration zu erforschen. In diesem Zusammenhang gelten wässrige Zink-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen Sicherheit, geringen Kosten und Umweltfreundlichkeit als eine der vielversprechendsten nachhaltigen Energiespeichertechnologien. Die Forschungsrichtung von Li Xinliang, Professor an der Fakultät für Physik der Universität Zhengzhou, ist eng mit diesem Bereich verbunden.

▲Li Xinliang

Li Xinliang hat viele Jahre lang intensiv in der wissenschaftlichen Forschung gearbeitet und eine Reihe innovativer wissenschaftlicher Forschungsergebnisse in der Forschung und Entwicklung von Energiespeichersystemen auf Basis wässriger Batterien/Halogenbatterien und Geräten zur Absorption/Abschirmung elektromagnetischer Wellen erzielt. „Glücklicherweise stehen meine persönlichen Forschungsinteressen im Einklang mit den strategischen Entwicklungsbedürfnissen des Landes, sodass ich bereit bin, Schwierigkeiten zu überwinden und Verantwortung zu übernehmen, um dies zu erreichen“, sagte er.

Bleiben Sie auf dem Boden und beschreiten Sie Schritt für Schritt den Weg der wissenschaftlichen Forschung

Alles sollte bodenständig erfolgen. Es ist einfach, wenn Sie es tun, aber schwierig, wenn Sie es nicht tun. Der wissenschaftliche Forschungsweg von Li Xinliang ähnelt eher einer Darstellung der meisten gewöhnlichen Studenten. Im Jahr 2011 wurde er an der Zhengzhou University of Light Industry mit den Schwerpunkten Physik und Elektrotechnik aufgenommen. Die Forschung zur Energiespeicherung war damals nicht sehr populär. Während seines Studiums hatte er Träume, fühlte sich aber auch immer verwirrter.

Im Laufe seines eingehenden Studiums der Energiespeicherforschung entdeckte Li Xinliang nach und nach, dass die wissenschaftlichen Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet tatsächlich in die Praxis umgesetzt werden können. Um tiefergehende wissenschaftliche Forschungskenntnisse in verwandten Bereichen zu erlangen, studierte er nach seinem Grundstudium nacheinander an der Northwestern Polytechnical University und der City University of Hong Kong für einen Master- und Doktortitel. Später lernte er auch die Professoren Yin Xiaowei und Zhi Chunyi kennen, die einen erheblichen Einfluss auf seine wissenschaftliche Forschungskarriere hatten.

Li Xinliang sagte freimütig, dass er nach seinem Grundstudium eine Zeit der Verwirrung durchgemacht habe. Unter der Anleitung seines Master-Betreuers, Professor Yin Xiaowei, beschloss er, seine Forschung auf strahlungsresistente Materialien zu konzentrieren und begab sich Schritt für Schritt auf den Weg der wissenschaftlichen Forschung. Während seines Studiums an der City University of Hong Kong kombinierte Li Xinliang unter der Leitung seines Doktorvaters Professor Zhi Chunyi die Forschung zu strahlungsresistenten Materialien mit Themen der Energiespeicherung, um Forschungen zur sicheren Energiespeicherung und flexiblen tragbaren Elektronik durchzuführen und so den potenziellen Bedarf des Landes in zivilen und wichtigen Bereichen zu decken. Darüber hinaus boten die beiden Mentoren Li Xinliang während seines Master- und Doktorstudiums ein sehr freies wissenschaftliches Forschungsumfeld, in dem er seiner subjektiven Initiative freien Lauf lassen und seine Forschungen fortsetzen und sich von seinen Interessen leiten lassen konnte. „Anfangs waren meine Pläne für die wissenschaftliche Forschung und meine Zukunftsziele vage. Unter ihrer schrittweisen Anleitung habe ich mich sehr weiterentwickelt. Ohne ihre Hilfe hätte ich, glaube ich, keine Chance gehabt, diesen Weg der wissenschaftlichen Forschung einzuschlagen“, sagte Li Xinliang.

Um seine wissenschaftliche Forschungsarbeit so schnell wie möglich umzusetzen, trat Li Xinliang nach Abschluss seiner Promotion der City University of Hong Kong-Hong Kong Big Zinc Energy Co., Ltd. bei, um dort wissenschaftliche Forschungen zur sicheren Energiespeicherung durchzuführen. Li Xinliang ist sich durchaus bewusst, dass es vom Labor bis zur Anwendung in Unternehmen noch ein weiter Weg ist. Insbesondere bei der Umsetzung der Ergebnisse aus der Laborforschung in die Massenproduktion von Produkten werden viele Probleme und Schwierigkeiten beim Scale-up auftreten. Während seiner Zeit bei Hong Kong Da Zinc Energy Co., Ltd. versuchte Li Xinliang, seine wissenschaftliche Forschungsarbeit von einer problemorientierten zu einer forschungs- und anwendungsorientierten umzuwandeln, was ihm eine umfassendere Perspektive für die Auswahl zukünftiger wissenschaftlicher Forschungsthemen verschaffte.

Basierend auf der aktuellen Situation, innovative Forschung an wässrigen Batterien

Im September 2020 formulierte China klare Ziele: Bis 2030 soll der CO2-Höhepunkt erreicht und bis 2060 CO2-Neutralität erreicht werden.

Da erneuerbare Energien heutzutage zum Trend werden, werden Batterien häufig in Fahrzeugen mit erneuerbarer Energie, in Geräten der Unterhaltungselektronik und in verschiedenen Energiespeichersystemen eingesetzt. In diesem gesellschaftlichen Kontext übernimmt Li Xinliang die Verantwortung eines wissenschaftlichen Forschers und ist bestrebt, auf dem entsprechenden Gebiet etwas zu tun.

Wie wir alle wissen, haben Lithium-Ionen-Batterien, die in Fahrzeugen mit alternativer Energie häufig zum Einsatz kommen, die Vorteile einer hohen Energiedichte, einer geringen Größe, eines geringen Gewichts und einer langen Lebensdauer. Allerdings erfordern Lithiumbatterien extrem hohe Dichtungseigenschaften, insbesondere um sie während des Betriebs von Wasser- und Sauerstoffumgebungen zu isolieren. Wenn die Batterie in eine Notsituation gerät, die das Batteriepaket zerstört, wie etwa durch eine Kollision oder Extrusion, ist es sehr wahrscheinlich, dass die Batteriezelle eine Reihe exothermer Kettenreaktionen auslöst oder sogar Feuer fängt und explodiert. Vor diesem Hintergrund ist Li Xinliang der Ansicht, dass die Entwicklung sicherer, umweltfreundlicherer und stabilerer wässriger Batterien dringend erforderlich ist, um den Anforderungen im Bereich der sicheren Energiespeicherung gerecht zu werden, in dem großer Wert auf die Sicherheitseigenschaften von Batterien gelegt wird, insbesondere bei tragbarer Elektronik und sogar implantierbaren medizinischen Geräten, die in direktem Kontakt mit dem menschlichen Körper stehen.

Li Xinliang führte aus, dass wässrige Batterien als neue Batterietechnologie über inhärente Sicherheit sowie schnelle Lade- und Entladefunktionen verfügen, wodurch die Batterielebensdauer verlängert werden kann und die Batterie in die Lage versetzt wird, mit einer Vielzahl anspruchsvoller Energiespeicher-/-versorgungsszenarien zurechtzukommen. Es bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in Speichersystemen für erneuerbare Energien, Elektrofahrzeugen und tragbaren elektronischen Produkten. „Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt derzeit auf der Entwicklung von wässrigen Batterien, um die Versorgungslücke im Markt für sichere Energiespeicherung zu schließen, wo Lithium-Ionen-Batterien derzeit nicht einsetzbar sind. Gleichzeitig erwägen wir in zukünftigen Forschungsarbeiten auch, Strahlungsprobleme unter komplexen elektromagnetischen/infraroten Hintergründen in den dynamischen Bewertungsumfang der Betriebssicherheit einzubeziehen“, sagte er.

Während dieses Prozesses entwarfen Li Xinliang und sein Forschungsteam zunächst die wässrige Batterie als Ganzes, um sicherzustellen, dass die verschiedenen Komponenten der Batterie hochgradig anpassungsfähig sind. Zweitens führten sie Temperatur- und Spannungsüberwachungssysteme sowie Überstrom- und Überspannungsschutzgeräte ein, um den Betriebszustand der Batterie in Echtzeit zu überwachen und das Auftreten von anormalen Zuständen zu verfolgen. Darüber hinaus verbesserten sie auch die elektrochemische Leistung und reduzierten gleichzeitig mögliche Nebenreaktionen während des Betriebs von Wasserbatterien durch Modifikationen der Elektroden und Elektrolyte, wodurch die Sicherheit und Stabilität der Wasserbatterien verbessert wurde.

Wasser, der Elektrolytträger in wässrigen Batterien, ist ein kostengünstiges, erneuerbares und umweltfreundliches Lösungsmittel. Im Vergleich zu organischen Lösungsmitteln in herkömmlichen organischen Batterien ist Wasser grundsätzlich sicher, kostengünstiger und hat weniger Auswirkungen auf die Umwelt. Darüber hinaus sind wässrige Batterien erneuerbar. Wasser und Metallsalze sind erneuerbare Ressourcen. Durch Regeneration oder Recycling kann der Ressourcenverbrauch gesenkt und die Nachfrage nach seltenen Metallen verringert werden. Die Verwendung von Wasser als Elektrolyt hat jedoch den Nachteil, dass Wasser ein schmales stabiles Spannungsfenster aufweist und Nebenreaktionen mit Elektroden, insbesondere dem metallischen Minuspol, eingehen kann, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Batterie führt. Basierend auf den entsprechenden Forschungsergebnissen engagiert sich Li Xinliang auch für die Entwicklung neuer Halogenbatterien mit hoher Energiedichte.

Aufgrund der Vorteile von Halogenen wie hohem Redoxpotential, niedrigen Kosten und reichlich vorhandenen Ressourcen bieten sie große Anwendungsaussichten in Elektrodenmaterialien. In diesem Zusammenhang schlug das Team von Li Xinliang eine effiziente Elektrolytmodulationsstrategie vor, um eine reversible mehrwertige Zustandstransformation von Halogenen in Energiespeichersystemen vom Umwandlungstyp zu erreichen, und wählte als Machbarkeitsnachweis sicherere Halogenidsalze als aktive Halogenquellen, um herkömmliche Halogenelemente zu ersetzen. Auf der Grundlage der Chemie der Mehrelektronen-Umwandlung konstruierte es eine beispiellose Hochleistungs-Halogen-Umwandlungsbatterie. Erwähnenswert ist, dass es ihnen durch eine Reihe wissenschaftlicher Forschungsarbeiten gelungen ist, die Energiedichte von Halogenbatterien auf über 200 % des ursprünglichen Werts zu erhöhen und so die Energiespeicherkapazität von Halogenbatterien deutlich zu verbessern. Darüber hinaus weist der neue Redoxmechanismus, der von Li Xinliangs Team entwickelt wurde, eine hervorragende Anpassungsfähigkeit an niedrige Temperaturen auf, wodurch die Anwendungsszenarien von Halogenbatterien erheblich erweitert werden.

Bewahren Sie einen ruhigen Geist und fördern Sie die wissenschaftliche Forschung

Wissenschaftliche Forschung ist eine langfristige Angelegenheit. Li Xinliang weiß sehr wohl, dass die Leistungssteigerung von Wasserbatterien nicht über Nacht erreicht werden kann. Manchmal kann es ein Jahr oder sogar mehrere Jahre dauern, bis die Ergebnisse eines Leistungstests vorliegen, und im Verlauf des Tests treten zwangsläufig eine Reihe von Problemen auf. „Wenn wir auf Probleme stoßen, müssen wir zunächst die Literatur gründlich lesen und aus den Erfahrungen und Lehren anderer lernen. Zweitens müssen wir mit unseren Mentoren und Kollegen diskutieren und Brainstorming betreiben. Dabei wird es immer Vorteile geben“, sagte Li Xinliang.

2023 ist ein neuer Wendepunkt im Leben von Li Xinliang. Im Alter von 30 Jahren kehrte er in seine Heimatstadt Henan zurück und kam an die Fakultät für Physik der Universität Zhengzhou, um wissenschaftliche Forschung zu betreiben. „Es wird immer jemand zurückkommen müssen, um die ‚technologische Lücke‘ zu füllen, und ich bin nur einer von ihnen“, sagte er. Als talentierter Wissenschaftler haben Li Xinliang sowohl von der Provinz Henan als auch von der Universität Zhengzhou und der Fakultät für Physik der Universität Zhengzhou große Unterstützung in Bezug auf das Leben und die wissenschaftliche Forschungsumgebung erhalten und so seine Sorgen beseitigt. Während er nun seit mehr als einem halben Jahr ununterbrochen daran arbeitet, sein eigenes wissenschaftliches Forschungsteam aufzubauen, hat er auf Grundlage seiner eigenen Forschungsgrundlage auch die zukünftige Arbeitsrichtung bestimmt. „Zunächst entwickeln wir mit dem Ziel, die Leistung und Stabilität der Batterie zu verbessern, einige Sondierungspläne für innovative Richtungen und offene wissenschaftliche Probleme in diesem Bereich und ermitteln durch umfangreiche wissenschaftliche Forschungspraxis, ob die entsprechenden Pläne umsetzbar sind. In dieser Zeit wäre es großartig, wenn wir tatsächlich einige technische Probleme lösen, einige grundlegende innovative theoretische Modelle vorschlagen und das Feld einen kleinen Schritt voranbringen könnten“, sagte er.

Der Weg vor uns ist lang und beschwerlich. Bei der Entwicklung und Erforschung der Wasserbatterietechnologie kommt es häufig zu Misserfolgen und Rückschlägen, doch Li Xinliang ist davon überzeugt, dass sich harte Arbeit immer auszahlt. In naher Zukunft hofft er, ein einzigartiges wissenschaftliches Forschungsteam auf der Grundlage komplexer und sicherer Energiespeicherung aufzubauen, die Forschungsrichtung auf die wichtigsten wissenschaftlichen und technologischen Bedürfnisse des Landes zu konzentrieren und danach zu streben, seinen eigenen Beitrag zu leisten. „Dank des technologischen Fortschritts und der verbesserten wirtschaftlichen Machbarkeit können wir davon ausgehen, dass die Wasserbatterietechnologie in den nächsten Jahren schrittweise auf den Markt kommt und dem Land, der Gesellschaft und den normalen Verbrauchern zuverlässigere, umweltfreundlichere und sicherere Energielösungen bietet“, sagte Li Xinliang zuversichtlich.