Ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Chen Wei von der University of Science and Technology of China (USTC) hat ein neues chemisches Batteriesystem vorgestellt, das Wasserstoffgas als Anode nutzt.
Wasserstoff (H2) hat aufgrund seiner günstigen elektrochemischen Eigenschaften als stabiler und kostengünstiger erneuerbarer Energieträger an Aufmerksamkeit gewonnen. Herkömmliche Batterien auf Wasserstoffbasis verwenden jedoch in erster Linie H2 als Kathode, was ihren Spannungsbereich auf 0,8-1,4 V beschränkt und ihre Gesamtenergiespeicherkapazität begrenzt. Um diese Beschränkung zu überwinden, schlug das Forscherteam einen neuen Ansatz vor: die Verwendung von H2 als Anode, um die Energiedichte und die Arbeitsspannung deutlich zu erhöhen. In Verbindung mit Lithiummetall als Anode zeigte die Batterie eine außergewöhnliche elektrochemische Leistung.
Die Forscher entwarfen einen Prototyp eines Li-H-Batteriesystems mit einer Lithiummetallanode, einer platinbeschichteten Gasdiffusionsschicht, die als Wasserstoffkathode dient, und einem Festelektrolyten (Li1.3Al0,3Ti1,7(PO4)3, oder LATP). Diese Konfiguration ermöglicht einen effizienten Lithium-Ionen-Transport und minimiert gleichzeitig unerwünschte chemische Wechselwirkungen. In Tests wies die Li-H-Batterie eine theoretische Energiedichte von 2825 Wh/kg auf und hielt eine konstante Spannung von etwa 3 V aufrecht. Darüber hinaus wurde eine bemerkenswerte Round-Trip-Effizienz (RTE) von 99,7 % erreicht, was auf einen minimalen Energieverlust während der Lade- und Entladezyklen hinweist, während die Langzeitstabilität erhalten bleibt.
Um die Kosteneffizienz, die Sicherheit und die Einfachheit der Herstellung weiter zu verbessern, entwickelte das Team eine anodenfreie Li-H-Batterie, bei der kein Lithiummetall vorinstalliert werden muss. Stattdessen lagert die Batterie während des Ladevorgangs Lithium aus Lithiumsalzen (LiH2PO4 und LiOH) im Elektrolyten ab. Die Version behält die Vorteile der Standard-Li-H-Batterie bei und führt gleichzeitig zusätzliche Vorteile ein. Sie ermöglicht eine effiziente Lithiumbeschichtung und -abstreifung mit einem coulombschen Wirkungsgrad (CE) von 98,5 %. Darüber hinaus funktioniert sie auch bei niedrigen Wasserstoffkonzentrationen stabil, was die Abhängigkeit von der Hochdruck-H?-Speicherung verringert. Um zu verstehen, wie sich Lithium- und Wasserstoffionen im Elektrolyten der Batterie bewegen, wurden Computermodelle, wie z. B. Simulationen der Dichtefunktionaltheorie (DFT), durchgeführt.
Dieser Durchbruch in der Li-H-Batterietechnologie eröffnet neue Möglichkeiten für fortschrittliche Energiespeicherlösungen mit potenziellen Anwendungen in den Bereichen erneuerbare Energienetze, Elektrofahrzeuge und sogar Luft- und Raumfahrttechnik. Im Vergleich zu herkömmlichen Nickel-Wasserstoff-Batterien bietet das Li-H-System eine höhere Energiedichte und Effizienz, was es zu einem starken Kandidaten für die Energiespeicherung der nächsten Generation macht. Die anodenfreie Version legt den Grundstein für kostengünstigere und skalierbare wasserstoffbasierte Batterien.
Originalpublikation
Rechargeable Lithium?Hydrogen Gas Batteries – Liu – 2025 – Angewandte Chemie – Wiley Online Library
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