Ein Löffel Zucker lässt die Dendriten nach unten gehen

Wässrige Zinkbatterien sind vielversprechende Alternativen zu ihren Lithium-Ionen-Cousins, aber sie leiden unter einem der gleichen Probleme: der Bildung von Dendriten. Diese nadelartigen Strukturen bilden sich auf der Oberfläche der Zinkanode und wachsen in den Elektrolyten hinein, wodurch die Batterie kurzgeschlossen oder in einigen Fällen sogar gezündet wird. Ein Forscherteam in China hat nun gezeigt, dass die Zugabe von gewöhnlichem Haushaltszucker (Saccharose), der chemisch mit Hydroxylgruppen modifiziert wurde, zum Elektrolyten das Wachstum von Zinkdendriten verlangsamen kann, indem die Lösungsmittelumgebung verändert wird. Außerdem bildet die Saccharose einen Schutzmantel auf der Anode und verlangsamt deren Korrosion.

Lithium-Ionen-Batterien sind heute die am weitesten verbreiteten Batterien in tragbaren Elektronikgeräten und Elektrofahrzeugen, aber die darin enthaltenen brennbaren und giftigen organischen Elektrolyte geben Anlass zur Sorge. Lithium ist auch im Vergleich zu einigen anderen, gebräuchlicheren Metallen teuer, und das globale Angebot ist Opfer verschiedener Unsicherheiten. Zinkbatterien, die normalerweise mit wässrigen Elektrolyten gebildet werden, sind ein attraktiver Ersatz, da Zink billiger, weniger toxisch, leichter zu recyceln und weiter verfügbar ist als Lithium. Sie haben auch eine hohe Energiedichte mit einer hohen spezifischen Kapazität (820 mAh/g und 5 855 mAh/cm³) und ein günstiges Redoxpotential (−0.76 V gegen die Standardwasserstoffelektrode) der Zn‐Anode.

Das Problem ist, dass wenn das Zinkion (Zn²⁺) Konzentration auf der Oberfläche der Anode auf Null sinkt, beginnen Dendriten darauf zu wachsen. Das Vorhandensein dieser Strukturen führt zu einer Verschlechterung der elektrochemischen Leistung der Batterie und kann gefährlich sein, wenn sie unkontrolliert bleibt.

Ändern der Lösungsmittelumgebung

Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Modifizierung der Lösungsmittelumgebung (oder „Solvatationsstruktur“), beispielsweise durch das Einbringen von Salzen oder das Einschließen von weniger Wassermolekülen, die Geschwindigkeit erhöhen kann, mit der Zn gebildet wird²⁺ Ionen bewegen sich als Reaktion auf ein elektrisches Feld und unterdrücken daher das Wachstum von Dendriten. Solche Anpassungen verringern jedoch unglücklicherweise die Ionenleitfähigkeit des Batteriesystems, was zu einer schlechteren Gesamtleistung führt.

In der neuen Studie Forscher unter der Leitung von Nanotechnologie-Experten Meinan Liu dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität für Wissenschaft und Technologie von China fanden heraus, dass die Einführung von Saccharose, die Hydroxylgruppen enthält, ein effektiver Weg ist, die Solvatationsstruktur von Zn zu regulieren²⁺ Ionen, was die Geschwindigkeit erhöht, mit der sich die Ionen ausbreiten, ohne die Ionenleitfähigkeit zu verringern. Die Saccharose kann auch den wässrigen Elektrolyten stabilisieren, während sie gleichzeitig auf der Zn-Anode absorbiert wird, um darauf eine Schutzschicht zu bilden. Das hemme die Korrosion des Elektrolyten an der Zn-Anode, heißt es.

„Saccharose mit Hydroxylgruppen interagiert stark mit Zn²⁺ im Vergleich zu Wassermolekülen im Elektrolyten“, erklärt Liu. „Daher kann es einen Teil der Wassermoleküle ersetzen und sich mit Zn koordinieren²⁺, reguliert also die Solvatationsstruktur der Ionen.“

Dendritenbildung reduziert

„Das modifizierte Zn²⁺ Die Solvatationsstruktur hat einen wichtigen Einfluss auf die Kinetik der Ionen, einschließlich der Geschwindigkeit, mit der sie durch den Elektrolyten diffundieren“, erklärt sie Physik-Welt. „Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Übertragungszahl von Zn²⁺ Ionen nimmt mit der Einführung von Saccharose zu. Diese verbesserte Mobilität der Ionen hilft, die Bildung von Dendriten wie erwähnt zu reduzieren.“

Laut den Forschern könnte ihre Technik Wissenschaftlern bei der Entwicklung von Hochleistungs-Zn-Batterien helfen und eine sichere, umweltfreundliche Zn-Batterie der Realität näher bringen.

Mit Blick auf die Zukunft planen Liu und Kollegen, sich auf die Entwicklung von Elektrolyten mit guter Ionenleitfähigkeit zu konzentrieren, die bei niedrigeren Temperaturen funktionieren. Sie beschreiben ihre aktuelle Studie in Nanoforschung.