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13.06.2024

10.10.2023

Von der Natur inspiriertes Batteriedesign

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Tragbare Elektronik benötigt flexible Akkus, in denen oft ein Elektrolyt aus einem weichen, wasser- und salzhaltigen Hydrogel steckt. Mit einer von der Natur abgeschauten chemischen Veränderung hat nun ein chinesisches Forschungsteam den Hydrogel-Elektrolyten von Natrium-Ionen-Akkus deutlich stabilisieren können. Durch einfache Methylierung des strukturgebenden Polymers ließ sich das Aussalzen verhindern und die Kapazität und Zyklenfestigkeit verbessern.

Natrium-Ionen-Akkus gelten als eine mögliche Alternative für Lithium-Ionen-Akkus, da sie preiswertere und umweltfreundlichere Materialien enthalten. Allerdings müssen viele Komponenten der Batterie neu entwickelt und auf das Natriumion angepasst werden. Für dünne, biegsame Batterien, wie sie für tragbare Elektronik gebraucht werden, eignen sich Hydrogele als Elektrolyt. Diese weichen, wasserhaltigen Materialien nehmen gelöste Natriumsalze auf und sind ionenleitfähig.

Ein bislang ungelöstes Problem ist jedoch das Aussalzen: Die gelösten Salze können sich vom Gel trennen und auskristallisieren. Hohe Salzkonzentrationen sind jedoch für ein möglichst breites elektrochemisches stabiles Spannungsfenster wichtig. Guanglei Cui von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Qingdao und Kollegen haben nun ein Hydrogel für eine Natrium-Ionen-Batterie so verändert, dass es viel mehr Salz aufnehmen kann, stabil und sicher ist.

Das erreichten sie mit einer Maßnahme, die auch in der Natur die Salzbindung und Vernetzung von großen Biomolekülen beeinflusst: die Methylierung. Durch Methylierung werden Amin- und Amidgruppen von Proteinen "verkappt", was die Wasseraufnahme und somit die Quervernetzung einschränkt und gleichzeitig die Löslichkeit für Salzionen erhöht.

Ebenso wie Proteine enthalten auch Polymere, die als Grundstruktur von Hydrogelen verwendet werden, Amidgruppen. Bei starker Quervernetzung durch die Wassermoleküle kann es zum Aussalzen kommen und folglich zum Zusammenbruch des Elektrolyten, argumentieren die Forschenden. Das Team verglich daher ein Hydrogel aus einem gängigen Polyamid mit einem Hydrogel aus einem Polyamid, dessen Amidgruppen methyliert wurden. Letzteres konnte deutlich mehr Salz aufnehmen als die ursprüngliche Variante. Selbst bei einer rekordverdächtig hohen Salzkonzentration blieb der Hydrogel-Elektrolyt transparent und stabil.

Durch den hohen Salzgehalt erweiterte sich der elektrochemisch nutzbare Spannungsbereich der Zelle, es gab keine Auflösungserscheinungen an den Elektroden, und die zusammengesetzte Batteriezelle erreichte eine höhere Kapazität als die nicht methylierte Variante. Es konnte sogar preisgünstige Aluminiumfolie als Stromabnehmer eingesetzt werden. Das Team weist darauf hin, dass die Polyamid-Methylierung auch in anderen Technologien geeignet sein könnte, um Hydrogele zum Beispiel in der Medikamentenentwicklung salzfester und stabiler zu machen.

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Quelle: Angewandte Chemie