Wöchentlicher Technologiepreis｜Der Beginn des Traums einer lebendigen Metallbatterie

Elektrizität ist die Grundlage unseres täglichen Lebens: Wir verwenden Batterien, um Energie für den Betrieb von Mobiltelefonen und Fahrzeugen zu speichern, und das zeitliche und räumliche Ungleichgewicht der Elektrizität erfordert, dass das Stromnetzsystem Batterien zum Speichern und Freigeben von Energie verwendet, indem es überschüssigen Strom speichert und ihn dann während der Spitzenstromnachfrage an die Verbraucher freigibt. Daher besteht sowohl bei den Privatnutzern als auch bei der industriellen Produktion die Forderung nach Energiespeicherbatterien mit höherer Energiedichte, größerer Zuverlässigkeit und niedrigeren Preisen. Heute stellen wir den zweiten Preis des National Natural Science Award 2011 für „Forschung zur Speicherung von Wasserstoff, Lithium und Magnesium sowie zur Batterieleistung verschiedener Arten anorganischer Materialien“ vor. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehört eine Reihe von Forschungsarbeiten zu Lithium- und Magnesiumbatterien.

Hohe Energie und Sicherheit: das zweischneidige Schwert der Aktivmetallbatterien

Aus energetischer Sicht gilt: Je aktiver das Metall ist, desto mehr Energie kann es freisetzen und desto mehr Energie kann es speichern, wenn daraus eine Batterie hergestellt wird. Was Lithium-Ionen-Batterien betrifft, so liegt die Aktivitätsreihenfolge von Lithium ungefähr zwischen der von Natrium und Magnesium. Außerdem ist es leicht, was es zu einem idealen Rohstoff für Energiespeicherbatterien macht. Daher sind Lithiumbatterien in unserem täglichen Leben weit verbreitet. Tatsächlich verlief der Prozess der Lithium-Ionen-Batterien von der Erfindung bis zur Markteinführung jedoch nicht reibungslos. Der Grund hierfür liegt darin, dass das aktive Metall zwar mehr Energie speichern und abgeben kann, die Kehrseite seiner Aktivität jedoch eine mangelnde Stabilität aufweist, was entsprechende Probleme bei der Anwendung mit sich bringt.

Begrenzen Sie aktive Ionen, um eine stabile Ladung zu erreichen

Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt darin, eine direkte Reaktion aktiver Metalle zu verhindern und stattdessen Energie durch die Übertragung aktiver Metallionen zu speichern oder freizusetzen. Nehmen wir als Beispiel Lithium-Ionen-Batterien. Wenn aktive Metalle wie Lithium direkt zur Energiespeicherung verwendet werden, geben sie zwar ausreichend Energie frei, verringern aber gleichzeitig die Sicherheit der Batterie selbst und der Ladevorgang gestaltet sich schwierig. Die bestehende Lithium-Ionen-Batterietechnologie verwendet positive und negative Elektrodenmaterialien der Batterie, um Lade- und Entladezyklen durchzuführen. Beim Entladen der positiven Elektrode geben die Lithiumionen ihre Energie vollständig ab. Lithiumionen speichern Energie, wenn die negative Elektrode geladen wird. Lithium ist zwischen der positiven und der negativen Elektrode eingeschlossen, wodurch es Energie stabil speichern und freisetzen kann und gleichzeitig weniger unfallanfällig ist.

Da Lithium-Ionen beim Lade- und Entladevorgang nicht direkt oxidiert oder reduziert werden, wird dieser auf Ionenmigration basierende Batterietyp auch als „Rocking Chair Battery“ bezeichnet.

Entwicklung aktiver Ionenträger zur Herstellung zukünftiger Batterien

Wie bereits erwähnt, liegt der Schlüssel zu modernen Energiespeicherbatterien in den Trägern aktiver Metallionen an den positiven und negativen Elektroden. Die Suche nach sichereren und leistungsstärkeren Metallionenträgern ist für Wissenschaftler zu einem wichtigen Forschungsthema geworden. Das vom Team des Akademikers Chen Jun von der Nankai-Universität geleitete Projekt „Forschung zur Speicherung von Wasserstoff, Lithium und Magnesium sowie zur Batterieleistung verschiedener Arten anorganischer Materialien“ führte eine Reihe von Forschungsarbeiten zu zwei völlig unterschiedlichen, aber ähnlichen Forschungsrichtungen durch: einerseits die Entwicklung leichterer und leistungsstärkerer Lithiumionen-Trägermaterialien und andererseits die Entwicklung neuer Magnesiumionen-Trägermaterialien.

Bei Lithium-Ionen-Akkus ist der Träger zwar gut, speichert aber selbst keine Energie, sondern dient lediglich als Lagerort für Lithium-Ionen. Eine Reduzierung des Trägergewichts führt daher zu einer Erhöhung der Energiedichte der Batterie. Darüber hinaus kann durch die Konstruktion neuer Lithium-Ionen-Träger die Batteriespannung erhöht und die Energiedichte der Batterie weiter gesteigert werden. Das Team von Akademiker Chen Jun hat eine Reihe neuer Lithium-Ionen-Trägermaterialien entwickelt, die die Energiedichte und Sicherheit von Batterien effektiv verbessern.

In den letzten Jahren hat das Team um Akademiker Chen Jun eine Reihe aktiver Metallionenbatterien wie Magnesium und Natrium entwickelt. Einige der Ergebnisse wurden umgesetzt und angewendet und dürften die Entwicklung des Bereichs der elektrochemischen Energiespeicherung weiter vorantreiben.

(Text: Li Cunpu, Professor der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der Universität Chongqing; Gutachter: Yang Ke, Professor der Fakultät für Chemie der Universität Nankai)

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