Calcium-Ionen-Batterien könnten Lithium-Systeme dank neuartiger organischer Frameworks bald überholen. Diese versprechen einen schnellen Ionentransport, der bislang eine Herausforderung darstellte.
Forscher der Hongkong University of Science and Technology (HKUST) haben ein neues Verfahren zur Entwicklung von Calcium-Ionen-Batterien vorgestellt. Die Wissenschaftler nutzten quasi-feste Elektrolyte aus speziellen organischen Gerüsten, den sogenannten kovalenten organischen Frameworks (COFs).
Dieses Verfahren adressiert den bisher langsamen Ionentransport, der die Nutzung von Calcium als Energiespeicher einschränkte. Das Team peilt eine Verbesserung der Nachhaltigkeit und Kapazität gegenüber gängigen Lithium-Systemen an.
Die Wissenschaftler untersuchten im Rahmen ihrer Studie zwei verschiedene Framework-Strukturen: PT-COFs und PQ-COFs. Das PT-COF verfügt über vierundzwanzig Carbonylgruppen pro Wiederholungseinheit, während das PQ-COF lediglich zwölf dieser Gruppen besitzt. Die höhere Dichte an chemischen Bindungsstellen im PT-System führt zu einer deutlich überlegenen Leitfähigkeit der Ionen. Dieser strukturelle Unterschied erwies sich als entscheidender Faktor für eine stabilere Leistung der Batterie.
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Calcium-Ionen-Batterien: Effizienter Ionen-Transport ohne Blockaden
Die Calcium-Ionen wandern bei dem neuen Verfahren über einen spezifischen Hopping-Mechanismus durch das organische Material. Sie springen dabei entlang der geordneten Poren von einer Carbonylgruppe zur nächsten. Simulationen des Teams belegen, dass diese Bewegung nicht nur innerhalb einer Ebene, sondern auch in der Z-Richtung durch die Kanäle verläuft.
Durch diesen geordneten Weg verhindert das System die Bildung störender Passivierungsschichten an der Anode, welche die Funktion bisheriger Calciumspeicher oft blockierten. Das Team kombinierte für die praktischen Tests eine Anode aus dem organischen Molekül PTCDA mit einer Kathode aus CuPBA.
Diese Materialwahl verhindert, dass sich die Bestandteile der Elektroden während des Betriebs im Elektrolyten auflösen. Die Forscher bestätigten durch umfangreiche Analysen, dass die gesamte Batteriezelle ihre strukturelle Integrität auch bei hoher Belastung behält. Damit löste das Team ein zentrales Problem der Haltbarkeit bei solchen Batteriesystemen.
Leistung unter Hitze und Dauerbelastung
Der entwickelte PT-COF-Elektrolyt erreicht bei Raumtemperatur eine Ionenleitfähigkeit von 0,46 mS cm−1. Erwärmt sich das System auf achtzig Grad Celsius, steigt dieser Wert auf 5,05 mS cm−1 an. Der Elektrolyt hält zudem einer hohen elektrischen Spannung von bis zu 4,5 Volt stand, ohne sich chemisch zu zersetzen.
Diese thermische und oxidative Stabilität ermöglicht den Einsatz der Technologie in anspruchsvollen industriellen Umgebungen oder Elektrofahrzeugen. In den durchgeführten Laborversuchen lieferte die Zelle eine Kapazität von 155,9 mAh/g bei einer Stromstärke von 0,15 A/g.
Selbst nach 1.000 Lade- und Entladezyklen bei einer Stromstärke von 1 A/g behielt die Batterie fast fünfundsiebzig Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität bei. Die Forschungsarbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit der Shanghai Jiao Tong University. Die Ergebnisse markieren einen neuen Leistungsrekord für quasi-feste Batterien auf Basis von Calcium-Ionen.
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