- Chinesische Wissenschaftler entwickeln fluorierten Graphen-Katalysator, der die Effizienz von Zink-Luft-Batterien auf etwa 98 % steigert.
- Die Batterie behält nach 1.500 Lade- und Entladezyklen noch 97,6 % Effizienz.
- Zink-Luft-Batterien gelten als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, da sie eine hohe Energiedichte und niedrige Kosten aufweisen.
- Die Forschungsergebnisse könnten neue Strategien für kohlenstoffbasierte Katalysatoren bieten, die nicht auf Metallen basieren.
Chinesische Wissenschaftler haben kürzlich einen Graphen-Katalysator entwickelt, der die Effizienz von Zink-Luft-Batterien auf etwa 98 % steigert und deren Betrieb über 820 Stunden ermöglicht. Dieser fluorierte Graphen-Elektrokatalysator (FG-3) enthält 3,1 % Fluor und wurde von einem Team unter der Leitung von Dr. Wen Zhenhai und Dr. Huang Junheng vom Fujian Institute of Material Structure Research entwickelt. Laut den Wissenschaftlern kann dieser Graphen-Katalysator die Effizienz und Langlebigkeit von Zink-Luft-Batterien erheblich verbessern. In Labortests erreichte die Batterie eine beeindruckende Rücklauf-Effizienz von 98 % und betrieb stabil über 820 Stunden bei Raumtemperatur in Luft.
Darüber hinaus behält die Batterie nach 1.500 Lade- und Entladezyklen noch 97,6 % Effizienz. Dr. Wen und Dr. Huang sind der Meinung, dass diese Forschungsergebnisse zu besseren und effizienteren nächsten Generationen von Energiespeichersystemen führen könnten.
Vorteile und Herausforderungen von Zink-Luft-Batterien
Zink-Luft-Batterien (ZABs) nutzen Zinkmetall und den Sauerstoff aus der Umgebungsluft zur Stromerzeugung, wobei Zinkmetall als negative Elektrode fungiert und Sauerstoff an der positiven Elektrode reagiert. Aufgrund ihrer Fähigkeit, mehr Energie zu speichern, gelten Zink-Luft-Batterien als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Zudem sind Zink-Ressourcen reichlich vorhanden, kostengünstig und weisen eine hohe Energiedichte auf. Bislang waren Zink-Luft-Batterien jedoch kaum wiederaufladbar. Dies liegt hauptsächlich an den komplexen chemischen Reaktionen, die während des Lade- und Entladeprozesses stattfinden und viel Energie benötigen, was die Effizienz der Zink-Luft-Batterien verringert und den Materialverschleiß beschleunigt.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, wandten sich chinesische Forscher den zweielektronigen Reaktionen von Sauerstoff und Wasserstoffperoxid zu, die schneller ablaufen und eine bessere Umkehrbarkeit aufweisen.
Herstellung und Eigenschaften von fluoriertem Graphen
Das Team stellte fest: „Der zweielektronige (2e-) O2-H2O2-Umwandlungsweg erhält aufgrund seiner schnelleren intrinsischen Kinetik und besseren Umkehrbarkeit zunehmend Aufmerksamkeit.“ Um fluoriertes Graphen herzustellen, wendeten sie einen kontrollierten Heizprozess an, um schrittweise das Fluor aus dem Material zu entfernen und gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoffstruktur wiederherzustellen. Dieser kontrollierte Heizprozess half dem Team, mehrere Graphenproben mit unterschiedlichen Fluorkonzentrationen zu erstellen. FG-3 zeigte die beste Leistung, da es die elektrische Leitfähigkeit effektiver fördert und die chemischen Reaktionen beschleunigt. Das Material weist zudem eine große Oberfläche, gleichmäßige Fluorverteilung und verbesserte Elektrolyt-Interaktionen auf.
Weitere Tests zeigten, dass die Fluor-Kohlenstoff-Bindungen die elektrischen Eigenschaften der benachbarten Kohlenstoffatome veränderten.
Um die Leistung weiter zu bewerten, testete das Forschungsteam diesen Katalysator in Zink-Batterien. Die Testergebnisse zeigten, dass der FG-3 Graphen-Katalysator hervorragende Leistungen erbrachte und eine Wasserstoffperoxid-Selektion von 97,4 % sowie eine Faraday-Effizienz von 98 % erreichte. Die nicht wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie, die mit diesem Katalysator hergestellt wurde, erreichte eine Spitzenleistung von 569 Milliwatt pro Quadratzentimeter (mW cm-2). Gleichzeitig erreichte die wiederaufladbare Version eine Rücklauf-Effizienz von 98 %. Nach etwa 1.500 Ladezyklen behielt sie noch 97,6 % Effizienz und betrieb stabil über 820 Stunden in normaler Luft.
Zukünftige Entwicklungen von Katalysatoren
Laut den Wissenschaftlern könnten diese Entdeckungen eine neue Strategie zur Herstellung von Kohlenstoffkatalysatoren bieten, die nicht auf Metallen basieren. Das Team fasste in einer Pressemitteilung zusammen: „Dieser Katalysator ermöglicht die hochgradig reversible Umwandlung von O2-H2O2 und zeigt herausragende Leistungen in auf Zink basierenden Batterien.“ Diese Forschung wurde in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlicht.
Artikel Spezifikation Fluor-Konzentration 3,1 % Rücklauf-Effizienz 98 % Betriebsdauer über 820 Stunden Zahl der Lade- und Entladezyklen 1.500 Mal Wasserstoffperoxid-Selektion 97,4 % Spitzenleistung 569 mW/cm²
Potenzial und Anwendungen von fluoriertem Graphen-Katalysatoren
Die Entwicklung des fluorierten Graphen-Katalysators stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Technologie der Zink-Luft-Batterien dar, da sie die Effizienz und Langlebigkeit der Batterien erheblich steigert. Die Vorteile von Zink-Luft-Batterien liegen in ihrer hohen Energiedichte und den niedrigen Kosten, was sie zu einem starken Wettbewerber für Lithium-Ionen-Batterien macht. Allerdings ist die Lade- und Entladeeffizienz herkömmlicher Zink-Luft-Batterien gering, was ihre praktische Anwendung einschränkt. Der neu entwickelte Katalysator verbessert nicht nur die Leistung der Batterien, sondern bietet auch neue Ansätze für das zukünftige Katalysator-Design, insbesondere in Bezug auf umweltfreundlichere Energielösungen, die nicht auf Metallen basieren.