Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Chen Wei an der University of Science and Technology of China (USTC) hat ein neues chemisches Batteriesystem vorgestellt, das Wasserstoffgas als Anode nutzt. Die Studie wurde in derAngewandte Chemie Internationale Ausgabe.
Wasserstoff (H2) hat aufgrund seiner günstigen elektrochemischen Eigenschaften als stabiler und kostengünstiger erneuerbarer Energieträger an Bedeutung gewonnen. Traditionelle wasserstoffbasierte Batterien nutzen jedoch hauptsächlich H2als Kathode, was ihren Spannungsbereich auf 0,8–1,4 V beschränkt und ihre gesamte Energiespeicherkapazität begrenzt. Um diese Einschränkung zu überwinden, schlug das Forschungsteam einen neuartigen Ansatz vor: die Nutzung von H2als Anode, um die Energiedichte und Betriebsspannung deutlich zu erhöhen. In Kombination mit Lithiummetall als Anode zeigte die Batterie eine außergewöhnliche elektrochemische Leistung.
Schematische Darstellung der Li-H-Batterie. (Bild von USTC)
Die Forscher entwarfen einen Prototyp eines Li-H-Batteriesystems, das eine Lithiummetallanode, eine platinbeschichtete Gasdiffusionsschicht als Wasserstoffkathode und einen Festelektrolyten (Li1.3Al0,3Ti1.7(PO4)3, oder LATP). Diese Konfiguration ermöglicht einen effizienten Lithium-Ionen-Transport bei gleichzeitiger Minimierung unerwünschter chemischer Wechselwirkungen. In Tests zeigte die Li-H-Batterie eine theoretische Energiedichte von 2825 Wh/kg bei einer konstanten Spannung von etwa 3 V. Darüber hinaus erreichte sie einen bemerkenswerten Round-Trip-Wirkungsgrad (RTE) von 99,7 %, was auf minimalen Energieverlust während der Lade- und Entladezyklen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Langzeitstabilität hindeutet.
Um Kosteneffizienz, Sicherheit und Herstellungsfreundlichkeit weiter zu verbessern, entwickelte das Team eine anodenfreie Li-H-Batterie, die ohne vorinstalliertes Lithiummetall auskommt. Stattdessen lagert die Batterie Lithium aus Lithiumsalzen (LiH) ab.2PO4und LiOH) im Elektrolyt während des Ladevorgangs. Die Version behält die Vorteile der Standard-Li-H-Batterie bei und bietet zusätzliche Vorteile. Sie ermöglicht eine effiziente Lithiumbeschichtung und -ablösung mit einem Coulomb-Wirkungsgrad (CE) von 98,5 %. Darüber hinaus arbeitet sie auch bei niedrigen Wasserstoffkonzentrationen stabil, wodurch die Abhängigkeit von Hochdruck-H₂-Speicherung reduziert wird. Computergestützte Modelle, wie z. B. Dichtefunktionaltheorie-Simulationen (DFT), wurden durchgeführt, um die Bewegung von Lithium- und Wasserstoffionen im Elektrolyt der Batterie zu verstehen.
Dieser Durchbruch in der Li-H-Batterietechnologie eröffnet neue Möglichkeiten für fortschrittliche Energiespeicherlösungen. Mögliche Anwendungen reichen von erneuerbaren Energienetzen über Elektrofahrzeuge bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik. Im Vergleich zu herkömmlichen Nickel-Wasserstoff-Batterien bietet das Li-H-System eine höhere Energiedichte und Effizienz und ist damit ein starker Kandidat für die Energiespeicherung der nächsten Generation. Die anodenfreie Version legt den Grundstein für kostengünstigere und skalierbarere wasserstoffbasierte Batterien.
Link zum Artikel:https://doi.org/10.1002/ange.202419663
(Geschrieben von ZHENG Zihong, herausgegeben von WU Yuyang)
Veröffentlichungszeit: 12. März 2025