Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Pan Feng von der School of Advanced Materials der Peking University Shenzhen Graduate School hat wichtige Mechanismen aufgedeckt, die die Speicherung und den Transport von Protonen in wässrigen Batterien steuern. Die Studie liefert wichtige Erkenntnisse, die zu sichereren, schneller ladbaren und leistungsstärkeren Alternativen zu heutigen Lithium-Ionen-Batterien führen könnten. Die in Matter , einer Fachzeitschrift von Cell Press, veröffentlichte Studie mit dem Titel „Protonenspeicherung und -transfer in wässrigen Batterien“ zeigt, wie die Entwicklung von Wasserstoffbrückennetzwerken eine effiziente Speicherung und einen effizienten Transport von Protonen ermöglicht.
Hintergrund:
Wässrige Batterien, die wasserbasierte Elektrolyte verwenden, sind grundsätzlich sicherer als Lithium-Ionen-Systeme, leiden traditionell jedoch unter einer geringeren Energiedichte. Protonen sind aufgrund ihrer geringen Masse und hohen Mobilität sehr vielversprechend, ihre komplexe Chemie hat jedoch nur begrenzte Anwendungsmöglichkeiten in der realen Welt.
Pans Team zeigt, dass Protonen sich über einen Grotthuss-ähnlichen Mechanismus bewegen und dabei zwischen Wasserstoffbrückenbindungen hin- und herspringen, anstatt wie Metallionen zu diffundieren. Dies ermöglicht einen ultraschnellen, „diffusionsfreien“ Transport und macht Protonen zu idealen Ladungsträgern für leistungsstarke wässrige Batterien.
Warum es wichtig ist
Diese Forschung befasst sich mit einer seit langem bestehenden Herausforderung in der Energiespeicherung: sowohl Sicherheit als auch hohe Leistung zu erreichen. Indem die Studie aufzeigt, wie Wasserstoffbrückennetzwerke die Speicherung und den Transport von Protonen erleichtern, legt sie ein solides theoretisches Fundament für eine neue Generation von Energiesystemen, die der Lithium-Ionen-Technologie ebenbürtig oder sie übertreffen könnten. Im Gegensatz zu Lithium (Li?) und Natrium (Na?), die in starren Kristallstrukturen stabile ionische Bindungen mit Sauerstoff bilden, bilden Protonen (H?) eher kovalente, sättigbare H–O-Bindungen und integrieren sich nicht auf die gleiche Weise in Gitter.
Wichtige Ergebnisse
Ein bedeutender Beitrag der Studie ist der Vorschlag von drei Kernstrategien zur Optimierung der Leistung von Wasserbatterien durch Wasserstoffbrückennetzwerk-Engineering.
Erstens schlagen die Forscher beim Elektrodendesign vor, wasserhaltige oder wasserfreie Wasserstoffbrückennetzwerke in Festkörpermaterialien einzubetten, um klar definierte Wege für den Protonentransport zu schaffen. Zweitens zeigen sie durch Elektrolyt-Tuning, dass die Anpassung der Säurekonzentration und der Art der im Elektrolyt vorhandenen Anionen die Protonenleitfähigkeit stabilisieren und verbessern kann. Drittens zeigt das Team in Bezug auf Interface-Engineering, dass durch Modifizierung der Elektrodenoberfläche, etwa durch Einführung von Hydroxyl- (–OH) und Carboxylgruppen (–COOH) mittels Sauerstoffplasmabehandlung, Protonenbrückenkanäle geschaffen werden können, die den Ladungstransferwiderstand an der Grenzfläche deutlich senken und die Reaktionskinetik verbessern.
Zusammen bilden diese Strategien einen einheitlichen Rahmen, der das Protonenverhalten in Wassersystemen klärt und den Weg für eine sicherere, schnellere und effizientere Energiespeicherung ebnet.
Zukünftige Auswirkungen:
Diese Studie ebnet den Weg für die nächste Generation protonenbasierter wässriger Batterien, die Sicherheit mit hoher Leistung vereinen. Durch die Entwicklung von Wasserstoffbrückennetzwerken könnten zukünftige Geräte eine höhere Energiedichte, schnellere Ladezeiten und eine längere Lebensdauer erreichen und so Anwendungen von der Netzspeicherung bis hin zu tragbaren elektronischen Geräten und Elektrofahrzeugen voranbringen.
Weiterlesen: https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102165
