Neue Technologie verbessert wässrige Durchflussbatterien der nächsten Generation

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Neue Technologie zur Überwindung der Lebensdauergrenze von Wasserzellenbatterien der nächsten Generation.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Hee-Tak Kim von der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik hat wasserbasierte Zink/Brom-Redox-Flow-Batterien (ZBBs) mit der besten Lebenserwartung unter allen Redox-Flow-Batterien entwickelt, über die berichtet wurde, indem das Problem der Verschlechterung bei Zinkelektroden identifiziert und gelöst wurde.
Professor Kim, Leiter des Advanced Battery Center am KAIST-Forschungsinstitut für Nanofusion, sagte: “Wir haben eine neue Technologie vorgestellt, um die Lebensdauergrenze von Wasserzellenbatterien der nächsten Generation zu überwinden. Sie ist nicht nur billiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, sondern kann auch zum Ausbau der erneuerbaren Energien und zur sicheren Versorgung mit Energiespeichern beitragen, die mit mehr als 80 Prozent Energieeffizienz betrieben werden können.”

Es wurde festgestellt, dass ZBBs eine stabile Lebensdauer von mehr als 5.000 Zyklen haben, selbst bei einer hohen Stromdichte von 100 mA/cm2.

Es wurde auch bestätigt, dass sie im Vergleich zu weltweit berichteten Redox-Flow-Batterien (RFBs), die andere Redox-Paare wie Zink-Brom, Zink-Iod, Zink-Eisen und Vanadium verwenden, die höchste Leistung und Lebenserwartung aufweisen.
In letzter Zeit wurde mehr Aufmerksamkeit auf Energiespeichersysteme (ESS) gerichtet, die die Effizienz der Energienutzung verbessern können, indem sie neue und nächtliche Energie in großen Mengen speichern und bei Bedarf in das Netz einspeisen, um die intermittierende Natur der erneuerbaren Energien zu ergänzen und den Spitzenstrombedarf zu decken.
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs), die derzeit die Kerntechnologie von ESSs sind, wurden jedoch dafür kritisiert, dass sie aufgrund ihrer inhärenten Entzündungs- und Brandgefahr nicht für ESSs geeignet sind, die große Mengen an Strom speichern.

Tatsächlich gab es in Korea in insgesamt 33 Fällen von ESSs mit LIBs Brandunfälle, und 35 % aller ESS-Anlagen wurden stillgelegt.

Dies führte zu einem geschätzten Schaden von mehr als 700 Milliarden Won.

Infolgedessen haben wasserbasierte RFBs große Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Insbesondere ZBBs, die ultragünstiges Bromid (ZnBr2) als aktives Material verwenden, wurden seit den 1970er Jahren für ESSs entwickelt, deren Vorteile in der hohen Zellspannung, der hohen Energiedichte und dem niedrigen Preis im Vergleich zu anderen RFBs liegen. Bisher hat sich die Kommerzialisierung von ZBBs jedoch aufgrund der kurzen Lebensdauer, die durch die Zinkelektroden verursacht wird, verzögert.

Insbesondere das ungleichmäßige “Dendriten”-Wachstumsverhalten der Zinkmetalle während des Lade- und Entladevorgangs führt zu internen Kurzschlüssen in der Batterie, die ihre Lebensdauer verkürzen.
Das Forscherteam stellte fest, dass die Selbstaggregation durch die Oberflächendiffusion von Zinkkernen auf der Kohlenstoffelektrodenoberfläche mit niedriger Oberflächenenergie auftritt, und ermittelte durch quantenmechanikbasierte Computersimulationen und Transmissionselektronenmikroskopie, dass die Selbstaggregation die Hauptursache für die Zinkdendritenbildung ist.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Oberflächendiffusion der Zinkkerne in bestimmten Kohlenstoff-Fehlerstrukturen gehemmt wurde, so dass keine Dendriten gebildet wurden.
Ein einzelner Vakanzdefekt, bei dem ein Kohlenstoffatom entfernt wird, tauscht Zinkkerne und Elektronen aus und ist stark gekoppelt, wodurch die Oberflächendiffusion gehemmt wird und eine gleichmäßige Kernproduktion/-wachstum ermöglicht wird.

Das Forscherteam wendete Kohlenstoffelektroden mit hochdichter Defektstruktur auf ZBBs an und erreichte damit Lebensdauereigenschaften von mehr als 5.000 Zyklen bei einer hohen Ladestromdichte (100 mA/cm2), die 30-mal so hoch ist wie bei LIBs.
Es ist zu erwarten, dass diese ESS-Technologie, die umweltfreundliche elektrische Energie wie z. B. erneuerbare Energie für den privaten Sektor bereitstellen kann, durch die Technologie, die sichere und billige Redox-Flow-Batterien für eine lange Lebensdauer antreiben kann, erneut Aufmerksamkeit erregen wird.
Referenz: “Dendrite-free Zn electrodeposition triggered by interatomic orbital hybridization of Zn and single vacancy carbon defects for aqueous Zn-based flow batteries” von Ju-Hyuk Lee, Riyul Kim, Soohyun Kim, Jiyun Heo, Hyeokjin Kwon, Jung Hoon Yang und Hee-Tak Kim, 27 May 2020, Energy & Environmental Science.DOI: 10.1039/D0EE00723D

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