Hierarchical Cotton Pulp Fiber-Microfibrillated Cellulose Separator for Long- Cycle-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries

Die Energiespeicherung ist das stille Rückgrat einer modernen Welt, die von Sonne und Wind angetrieben wird. Wenn die Sonne scheint oder der Wind weht, muss Elektrizität eingefangen und für die spätere Nutzung gespeichert werden – eine Aufgabe, die derzeit von Lithium-Ionen-Batterien dominiert wird. Während diese Batterien unsere Telefone und Autos mit Strom versorgen, basieren sie auf Materialien, die teuer im Abbau sind und oft entflammbare Flüssigkeiten enthalten, die Feuer fangen können. Wissenschaftler suchen daher nach sichereren, günstigeren Alternativen, die den massiven Maßstab bewältigen können, der erforderlich ist, um ganze Städte mit Energie zu versorgen. Ein vielversprechender Kandidat ist die wässrige Zink-Ionen-Batterie. Diese Geräte nutzen wasserbasierte Flüssigkeiten, um Energie zu bewegen, was sie von Natur aus sicherer macht und sie aus reichlich vorhandenen, kostengünstigen Materialien aufbaut. Doch wie ein junger Baum, der zu schnell wächst, neigt das Zink in diesen Batterien dazu, scharfe, nadelartige Spitzen, sogenannte Dendriten, zu bilden. Diese Spitzen können die Barriere zwischen den positiven und negativen Seiten der Batterie durchstoßen, was dazu führt, dass die Batterie versagt oder einen Kurzschluss erleidet. Um diese Batterien lange genug nützlich zu machen, müssen Forscher einen Weg finden, das Wachstum dieser Spitzen zu stoppen und die interne Struktur der Batterie intakt zu halten.

Ein Team von Forschern der Xinjiang University und der Tianjin University hat eine neue Barriere, oder Separator, entwickelt, die speziell darauf ausgelegt ist, dieses Problem zu lösen. Anstatt synthetische Kunststoffe oder Glasfasern zu verwenden, wandten sie sich der Natur zu und erschufen einen Separator, der vollständig aus Baumwolle besteht. Sie kombinierten zwei Formen von Cellulose, dem Hauptbestandteil der Zellwände von Pflanzen: Baumwollzellstofffasern und mikrofibrillierte Cellulose. Der Baumwollzellstoff liefert lange Fasern im Mikrometerbereich, während die mikrofibrillierte Cellulose aus winzigen Strängen im Nanometerbereich besteht. Durch das Mischen dieser beiden Materialien und das Filtern durch ein Vakuum schufen die Forscher ein dichtes, verwobenes Vlies. Dieses Vlies weist eine hierarchische Struktur auf, was bedeutet, dass es Poren unterschiedlicher Größe besitzt, die zusammenarbeiten. Die größeren Poren ermöglichen es der flüssigen Elektrolyt zu schnell zu fließen, während das dichte Netzwerk aus winzigen Fasern als starker Schutzschild gegen die wachsenden Zinkspitzen fungiert.

Die Ergebnisse dieses Ansatzes wurden im Labor mit beeindruckender Präzision gemessen. Der neue Separator auf Baumwollbasis erwies sich als bemerkenswert stark, mit einer Zugfestigkeit von 23,36 Megapascal, was die 0,2 Megapascal der derzeit verwendeten Standard-Glasfasertrennschichten weit übertrifft. Diese Festigkeit ist entscheidend, da sie verhindert, dass der Separator bei der Montage der Batterie oder wenn Zinkspitzen hindurchdrücken, reißt. Das Material saugte den flüssigen Elektrolyten der Batterie effizient auf und ermöglichte es den Zinkionen, sich reibungslos hindurchzubewegen. Als die Forscher die Fähigkeit der Batterie testeten, wiederholt zu laden und zu entladen, war der Unterschied eklatant. Eine Batterie, die mit dem neuen Baumwoll-Separator ausgestattet war, lief über 1.200 Stunden bei einem konstanten Strom, während eine Batterie mit dem Standard-Glasfaser-Separator nach nur 400 Stunden versagte. Selbst unter anspruchsvolleren Bedingungen, bei denen die Batterie aufgefordert wurde, eine große Menge Energie auf kleinem Raum zu speichern, ermöglichte der Baumwoll-Separator der Batterie, über 200 Stunden ohne Ausfall zu arbeiten, während die Glasfaser-Version in weniger als 100 Stunden einen Kurzschluss erlitt.

Ein genauerer Blick auf die Batterien nach den Tests enthüllte, warum der Baumwoll-Separator so gut abschnitt. In den Batterien mit dem Standard-Glasfaser-Separator wuchs das Zinkmetall zu rauen, unebenen Spitzen heran, die den Separator beschädigten und eine unordentliche Oberfläche erzeugten. Im Gegensatz dazu zeigten die Batterien mit dem Baumwoll-Separator eine glatte, flache Zinkschicht, was darauf hindeutet, dass sich das Metall gleichmäßig ablagerte, anstatt gefährliche Spitzen zu bilden. Das Baumwollmaterial half auch dabei, die Bildung unerwünschter chemischer Nebenprodukte zu reduzieren, die die Batterie verstopfen können. Als die Forscher eine vollständige Batterie mit einem Vanadium-basierten Material für die positive Seite bauten, half der Baumwoll-Separator der Batterie, etwa 83 Prozent ihrer Kapazität nach 100 Zyklen zu behalten, während der Standard-Separator die Kapazität auf nur 17 Prozent sinken ließ. Selbst nach 1.200 Zyklen bei hoher Geschwindigkeit hielt die Batterie mit dem Baumwoll-Separator eine spezifische Kapazität von 92,4 Milliampere-Stunden pro Gramm.

Diese Arbeit legt nahe, dass ein einfaches, biologisch abbaubares Material aus Baumwolle komplexe synthetische Alternativen in der rauen Umgebung einer Metallbatterie übertreffen kann. Die Forscher fanden heraus, dass die Kombination aus langen Fasern und winzigen Nanofasern eine Struktur schuf, die sowohl stark genug war, um Spitzen zu blockieren, als auch porös genug, um Energie fließen zu lassen. Während die Arbeit anmerkt, dass für extrem schnelles Laden weitere Optimierungen nötig sind, bieten die Ergebnisse einen klaren Weg nach vorne. Durch die Verwendung einer erneuerbaren Ressource, die bereits reichlich vorhanden und günstig ist, bietet dieser Ansatz einen nachhaltigen Weg, um sicherere und langlebigere Batterien für die zukünftige Energiespeicherung zu bauen.