Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Chen Wei an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas (USTC) hat ein neues chemisches Batteriesystem vorgestellt, das Wasserstoffgas als Anode nutzt. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „The Journal of Science and Technology“ veröffentlicht.Angewandte Chemie Internationale Ausgabe.
Wasserstoff (H2Wasserstoff hat aufgrund seiner günstigen elektrochemischen Eigenschaften als stabiler und kostengünstiger erneuerbarer Energieträger an Bedeutung gewonnen. Herkömmliche wasserstoffbasierte Batterien nutzen jedoch hauptsächlich H₂.2als 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 wurde Lithium verwendet, um die Energiedichte und die Betriebsspannung deutlich zu erhöhen. In Kombination mit Lithiummetall als Anode zeigte die Batterie eine außergewöhnliche elektrochemische Leistung.
Schematische Darstellung der Li-H-Batterie. (Bild: USTC)
Die Forscher entwarfen einen Prototyp eines Li-H-Batteriesystems, der eine Lithiummetallanode, eine platinbeschichtete Gasdiffusionsschicht als Wasserstoffkathode und einen Festelektrolyten (Li) umfasst.1.3Al0,3Ti1.7(PO4)3Diese Konfiguration (oder LATP) ermöglicht einen effizienten Lithiumionentransport bei gleichzeitiger Minimierung unerwünschter chemischer Wechselwirkungen. Tests ergaben für die Li-H-Batterie eine theoretische Energiedichte von 2825 Wh/kg bei einer stabilen Spannung von etwa 3 V. Darüber hinaus erreichte sie einen bemerkenswerten Wirkungsgrad von 99,7 %, was auf minimale Energieverluste während der Lade- und Entladezyklen bei gleichzeitig hoher Langzeitstabilität hindeutet.
Um Kosteneffizienz, Sicherheit und Fertigungsvereinfachung weiter zu verbessern, entwickelte das Team eine anodenfreie Lithium-Wasserstoff-Batterie, die auf vorinstalliertes Lithiummetall verzichtet. Stattdessen lagert die Batterie Lithium aus Lithiumsalzen (LiH₂) ab.2PO4und LiOH) im Elektrolyten während des Ladevorgangs. Diese Version behält die Vorteile der Standard-Li-H-Batterie bei und bietet zusätzliche Vorteile. Sie ermöglicht eine effiziente Lithiumplattierung und -auflösung mit einer Coulomb-Effizienz (CE) von 98,5 %. Darüber hinaus arbeitet sie auch bei niedrigen Wasserstoffkonzentrationen stabil, wodurch die Abhängigkeit von Hochdruck-Wasserstoffspeichern reduziert wird. Mithilfe von Computermodellen, wie z. B. Dichtefunktionaltheorie-Simulationen (DFT), wurde untersucht, wie sich Lithium- und Wasserstoffionen im Elektrolyten der Batterie bewegen.
Dieser Durchbruch in der Lithium-Wasserstoff-Batterietechnologie eröffnet neue Möglichkeiten für fortschrittliche Energiespeicherlösungen mit potenziellen Anwendungen in erneuerbaren Energienetzen, Elektrofahrzeugen und sogar der Luft- und Raumfahrttechnik. Im Vergleich zu herkömmlichen Nickel-Wasserstoff-Batterien bietet das Lithium-Wasserstoff-System eine höhere Energiedichte und Effizienz und ist damit ein vielversprechender Kandidat für die Energiespeicherung der nächsten Generation. Die anodenfreie Variante 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)
Veröffentlichungsdatum: 12. März 2025