Gemeinsames Tsinghua-Liverpool-Forschungsteam entdeckt neuen Ladungsspeichermechanismus

HSINCHU, Taiwan--()--Aufgrund ihrer hohen Energiedichte und geringen Kosten sind Metall-Luft-Batterien eine der am vielversprechendsten Energiequellen der Zukunft. Ein gemeinsames Tsinghua-Liverpool-Forschungsteam hat kürzlich einen neuen Ladungsspeichermechanismus entwickelt, der ein Wiederaufladen von Calcium-Luft-Batterien ermöglicht - ein bedeutsamer Schritt nach vorne in der Batterietechnologie.

Diese Entdeckung wurde in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Chemical Science veröffentlicht. Der Hauptautor des Artikels, Yi-Ting Lu, ist Doktorand an der Universität von Tsinghua und Liverpool und wird von Prof. Chi-Chang Hu (Department of Chemical Engineering, NTHU) und Prof. Laurence Hardwick (Department of Chemistry, UoL) betreut.

Ein bedeutender Durchbruch für Ca-Luft-Batterien

Prof. Hu erklärt, dass Lithium-Ionen-Batterien in der Praxis an Grenzen stoßen. Daher arbeiten viele Forscher an der Entwicklung alternativer Batterietechnologien. Ihr Fokus liegt dabei auf Metall-Luft-Batterien, die auf Zink, Lithium, Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Aluminium basieren. Der Vorteil der Calcium-Luft-Batterie liegt in ihrer hohen spezifischen Energie, die fünf Mal so hoch ist wie die von Lithium-Ionen-Batterien. Jedoch wird der Einsatz von Calcium-Luft-Batterien durch einen großen Nachteil gehindert: Sie sind nicht wiederaufladbar.

Lu erläutert, dass Metall-Luft-Batterien elektrochemische Zellen sind, die normalerweise ein aktives Metall als negative Elektrode und ein poröses Kohlenstoffmaterial in Kontakt mit der Luft als positive Elektrode verwenden. Wenn das Metall oxidiert, wird der Sauerstoff an der positiven Elektrode reduziert, wobei elektrischer Strom erzeugt wird.

Nach Abschluss des ersten Jahres seines Promotionsstudiums an der NTHU schrieb sich Lu im September 2018 am Stephenson Institute for Renewable Energy der UoL ein. Unter der Betreuung von Prof. Hardwick begann er zum Elektrolyten zu forschen, der in Calcium-Luft-Batterien verwendet wird.

Lu fand heraus, dass, wenn eine einzelne Elektrode wiederholt aufgeladen und entladen wird, zunächst keine Umkehrbarkeit beobachtet werden kann. Nach ein paar Dutzend Zyklen zeigt sich jedoch eine gewisse Reversibilität. Überraschenderweise schien das Ergebnis von denen in der Literatur abzuweichen. Das Forschungsteam führte daraufhin eine Reihe von Experimenten durch, die darauf abzielten, den Mechanismus hinter diesem Phänomen aufzudecken. Auf der Elektrodenfläche ermöglichen es die Entladungsprodukte einer Calciumoxid-Zwischenschicht (CaxOy), an der das Entladungsprodukt von Sauerstoff, das als Superoxid bekannt ist, beschränkt ist, dass das Superoxid leicht oxidiert wird. Dies deutet darauf hin, dass Sauerstoff wahrscheinlich wiederholt oxidiert/reduziert werden könnte, sodass die Zelle kontinuierlich entladen/wiederaufgeladen werden kann.

Dr. Alex Neale, ein Postdoktorand in Liverpool, der ebenso Teil des Forschungsteams ist, sagte, dass das Team durch systematische elektrochemische und spektroskopische Untersuchungen anfing, die Ursprünge dieses Ladungsspeichermechanismus zu verstehen, der einen bislang unbekannten Grad von Reversibilität für Systeme ermöglicht, die auf Calcium-Luft-Batterien basieren.

Prof. Hardwick sagte zudem, das Team würde sich auf die Auslegung neuer Batteriesysteme konzentrieren, die diesen neu entdeckten Ladungsspeichermechanismus einsetzen. Er fügte hinzu, dass es die Zusammenarbeit in der Forschung war, die ihre Entdeckung erst ermöglichte, und es Pläne für eine noch engere Zusammenarbeit zwischen der NTHU und der UoL in der Zukunft gebe.

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Holly Hsueh
NTHU
(886)3-5162006
hoyu@mx.nthu.edu.tw

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