18 Sekunden Schnellladen sind kein Traum mehr! Was ist die neue wässrige Zink-Ionen-Batterie?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Dong Shaoxiang und Wang Yixiu (Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas)

Hersteller: China Science Expo

Mobiltelefone, Computer, Tablets usw., die Batterien als Energiequelle verwenden, sind zu einem Teil unseres Lebens geworden. Immer mehr Menschen leiden unter „Batterie-Angst“. Gleichzeitig hat die zunehmende Verbreitung von Fahrzeugen mit alternativer Energie dazu geführt, dass die Menschen immer weniger Lust auf Batterien haben, deren Aufladen lange dauert – also beeilen Sie sich! Laden Sie den Akku schneller auf! Dies wurde zum gemeinsamen Wunsch aller.

Batterie-Angst ist zu einer der Quellen der Angst in dieser Ära geworden

(Bildquelle: Flickr)

Dieser Wunsch könnte bald in Erfüllung gehen. Kürzlich hat das Team von Professor Song Li vom National Synchrotron Radiation Laboratory der University of Science and Technology of China eine Batterie mit Schnellladefunktion entwickelt.

Heute sprechen wir ausführlich über dieses wissenschaftliche Forschungsergebnis.

1. Zink-Ionen-Batterie VS. Lithium-Ionen-Akku

Lithium-Ionen-Batterien sind ein heute weithin bekannter Energiespeichertyp. Aufgrund ihrer Vorteile wie einer hohen Energiedichte und eines breiten Betriebstemperaturbereichs machen Lithium-Ionen-Batterien den Großteil der kommerziellen Batterien aus. Allerdings ist der darin verwendete organische Elektrolyt schädlich für den menschlichen Körper und die Verknappung der Lithiumressourcen wird in Zukunft zu einem Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage auf dem Batteriemarkt führen.

Als Neuling in der Energiespeicherbranche verfügen Zink-Ionen-Batterien nicht nur über eine hohe theoretische Energiedichte, sondern auch über ungiftige wässrige Elektrolyte, was eine sichere und effiziente Produktion und Anwendung gewährleistet. Darüber hinaus haben billige und reichlich vorhandene Zinkressourcen die Kosten der Batterienutzung erheblich gesenkt und dürften in Zukunft eine potenzielle Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien darstellen.

Auch wenn es viele Unterschiede in der Materialverwendung gibt, sind die Arbeitsbedingungen von Zink-Ionen-Akkus und Lithium-Ionen-Akkus beim Lade- und Entladevorgang sehr ähnlich. Das positive Elektrodenmaterial der Batterie ist häufig geschichtet: Während des Entladevorgangs der Batterie werden Lithiumionen (oder Zinkionen) zur Speicherung in die Zwischenschicht des positiven Elektrodenmaterials eingebettet; Während des Ladevorgangs der Batterie entweichen Lithiumionen (oder Zinkionen) aus der Zwischenschicht des positiven Elektrodenmaterials und kehren zur negativen Elektrode zurück. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Funktionsprinzip der Batterie ein Prozess der Ionenmigration und Elektronenübertragung ist.

Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

2. Das Prinzip des Schnellladens von Batterien

Wie also wurde die Schnellladebatterie in dieser wissenschaftlichen Forschungsleistung realisiert?

Erweitern Sie die Ionentransportkanäle

Wie oben erwähnt, handelt es sich beim Lade- und Entladevorgang von Zink-Ionen-Batterien um einen Prozess kontinuierlicher Ionenwanderung. Wer in kurzer Zeit möglichst viel Batteriekapazität speichern möchte, muss einen größeren Speicherplatz für Zinkionen schaffen.

Zunächst konzentrierten sich die Forscher auf geschichtete Vanadiumpentoxidmaterialien mit anpassbaren räumlichen Strukturen. Die Struktur dieses geschichteten Vanadiumpentoxid-Materials ähnelt einer Reihe paralleler Platten. Um den Schichtabstand des geschichteten Kathodenmaterials zu vergrößern, können Ammoniumionen mit größeren Größen vorinterkaliert werden. Dies bedeutet, dass zwischen diesen Schichten vorab einige Säulen eingefügt werden, um den Schichtabstand zu vergrößern. Mit der Unterstützung von Ammoniumionen können Zinkionen leichter im positiven Elektrodenmaterial wandern und der größere Zwischenschichtraum kann zudem die Energiespeicherkapazität der Batterie effektiv verbessern.

Schematische Darstellung der Struktur von Ammonium-interkaliertem Vanadiumpentoxid

(Bildquelle: Referenz 1)

Von der Anpassung der Orbitalbesetzung bis zur Beschleunigung des Elektronentransfers

Sie sollten wissen, dass der Energiespeicherprozess in Batterien eng mit der Ionenmigration und dem Elektronentransfer zusammenhängt. Wenn Zinkionen zur Speicherung in die Materialschicht der positiven Elektrode gelangen, wird ein Teil der Elektronen auch auf das Material der positiven Elektrode übertragen, um das Gesamtladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten. Daher ist es auch sehr wichtig, den Einfluss interkalierter Ionen auf die elektronische Struktur von Schichtmaterialien zu untersuchen.

Allerdings ist es mit herkömmlichen Testmethoden schwierig, die intrinsische atomare und elektronische Struktur von Materialien klar zu erforschen. Daher sind für die Erkennung fortschrittlichere Techniken zur Charakterisierung der Synchrotronstrahlung erforderlich. Einfach ausgedrückt können wir die Synchrotronstrahlungstechnologie als eine verbesserte Version eines „Supermikroskops“ verstehen, das seine hohe Helligkeit und Breitbandeigenschaften nutzen kann, um die innere Struktur der Materie zu erkennen.

Mithilfe dieser Technologie untersuchten die Forscher die Änderungen der Atomorbitalbesetzung in Vanadiumpentoxid-Materialien nach dem Einfügen von Ammoniumionensäulen zwischen den Schichten und die reversible Entwicklung des Materials während des Lade- und Entladevorgangs.

Hier stellen wir zunächst die grundlegenden Konzepte der elektronischen Struktur vor.

Bei Elementen, die Elektronen außerhalb des Kerns enthalten, sind die von ihnen getragenen Elektronen nicht zufällig angeordnet, sondern in aufeinanderfolgenden Umlaufbahnen. Darüber hinaus besetzen Elektronen immer zuerst Bahnen mit niedriger Energie, das heißt, sie sind von innen nach außen angeordnet, mit dem Atomkern als Zentrum.

Die Valenzelektronenkonfiguration des Elements Vanadium ist in der folgenden Abbildung dargestellt, wobei die äußere Schicht 5 Valenzelektronen enthält. Im Material Vanadiumpentoxid werden diese fünf Elektronen verwendet, um Bindungen mit Sauerstoffatomen zu bilden. Derzeit ist das 3d-Orbital von Vanadium ein leeres Orbital, das nicht mit Elektronen besetzt ist.

Vanadium

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Mithilfe der Synchrotronstrahlungstechnologie konnten die Forscher deutlich erkennen, dass das Einfügen von Ammoniumionensäulen die Kristallstruktur von Vanadiumpentoxid verzerrte und die ursprüngliche VO-Bindungslänge veränderte. Am wichtigsten ist jedoch, dass diese strukturelle Verzerrung auch die elektronische Struktur des Vanadiums verändert, was dazu führt, dass Elektronen in das ursprünglich leere V3d-Orbital springen, was dazu führt, dass sich das V3d-Orbital in einem teilweise besetzten Zustand befindet. Dieser Teil der Elektronen dient allerdings nicht den Sauerstoffatomen, sondern verbessert die Leitfähigkeit des Materials deutlich .

In Kombination mit dem oben Gesagten kommt es während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie sowohl zur Ionenmigration als auch zum Elektronentransfer. Die Charakterisierung mittels Synchrotronstrahlung zeigte, dass das positive Elektrodenmaterial aus Vanadiumpentoxid nach der Interkalation von Ammoniumionen während des Lade- und Entladevorgangs eine reversible Entwicklung aufwies. Während der Entladung werden Elektronen auf das positive Elektrodenmaterial übertragen, was zu einer weiteren Besetzung des V 3d-Orbitals führt. Beim Laden werden Elektronen freigesetzt und das V 3d-Orbital kann in seinen ursprünglichen besetzten Zustand zurückkehren. Diese reversible Änderung der Orbitalbesetzung wurde jedoch im ursprünglichen Vanadiumpentoxid-Material nicht beobachtet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Änderung der elektronischen Struktur nicht nur die Leitfähigkeit verbessert und den Ladungsfluss erheblich beschleunigt , sondern auch die Reversibilität des Ladens und Entladens der Batterie verbessert. In Kombination mit der Beschleunigung der Zinkionenmigration durch Vergrößerung des Zwischenschichtabstands werden die Schnellladeeigenschaften der Batterie erreicht .

Die duale Regulierung der Kristallstruktur und der elektronischen Struktur ermöglicht schnelles Laden und stabile Zyklen

Bei Verwendung dieses neuen Kathodenmaterials erreichte die Zink-Ionen-Batterie eine Kapazität von 101 mAh/g bei einer Stromdichte von 200 °C und benötigte zum Laden lediglich 18 s. Gleichzeitig gewährleistet der wässrige Elektrolyt auch die Sicherheit des Kreislaufprozesses und reduziert die Umweltbelastung.

In der Abhandlung werden der Zwischenschichtabstand und der Orbitalbesetzungszustand von Schichtmaterialien aus der Perspektive der Kristallstruktur und der elektronischen Struktur des Materials entworfen und reguliert. Gleichzeitig ist die Entwicklung der Materialstruktur in Kombination mit fortschrittlichen Methoden zur Charakterisierung der Synchrotronstrahlung intuitiver und klarer, wodurch positive Elektrodenmaterialien mit schnellen Ladeeigenschaften möglich werden.

Vielleicht können solche Materialien in naher Zukunft für elektronische Produkte und sogar für öffentliche Verkehrsmittel eingesetzt werden. Die deutliche Verkürzung der Ladezeit kann das Leben der Menschen effizienter und bequemer machen. Auch die Sicherheit und Sauberkeit der Batteriematerialien kann die Umweltbelastung reduzieren. Ich bin überzeugt, dass dieser Tag dank der Technologie nicht mehr weit entfernt sein wird.

Quellen:

【1】Yixiu Wang, Shiqiang Wei, Zheng-Hang Qi, et al. Interkalant-induzierte V t2g-Orbitalbesetzung in einer Vanadiumoxid-Kathode für schnell aufladbare wässrige Zink-Ionen-Batterien. PNAS, 2023, 120, e2217208120.