Kalzium-Ionen-Batterien:Die nächste Grenze der Energiespeicherung

Andrew Corselli

Prof. Yoonseob KIM (rechts), außerordentlicher Professor in der Abteilung für Chemie- und Bioingenieurwesen und korrespondierender Autor, und sein Ph.D. Studentin YIN Zhuoyu (links), Erstautorin, die eine elektrochemische Zellform in der Hand hält. Sie sind neben einem Batteriezellen-Cycler abgebildet. (Bild:HKUST)

Forscher der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) haben einen Durchbruch in der Kalzium-Ionen-Batterietechnologie (CIB) erzielt, der Energiespeicherlösungen im Alltag verändern könnte. Diese innovativen CIBs nutzen Quasi-Festkörperelektrolyte (QSSEs) und versprechen, die Effizienz und Nachhaltigkeit der Energiespeicherung zu verbessern, was sich auf ein breites Anwendungsspektrum von erneuerbaren Energiesystemen bis hin zu Elektrofahrzeugen auswirkt. Die Ergebnisse werden in der internationalen Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlicht mit dem Titel „High-Performance Quasi-Solid-State Calcium-Ion Batteries from Redox-Active Covalent Organic Framework Electrolytes.“

Die Dringlichkeit nachhaltiger Energiespeicherlösungen wird weltweit immer wichtiger. Da die Welt ihre Umstellung auf grüne Energie beschleunigt, war die Nachfrage nach effizienten und stabilen Batteriesystemen noch nie so dringend. Die heutigen gängigen Li-Ionen-Batterien (LIBs) stehen aufgrund der Ressourcenknappheit und der nahezu begrenzten Energiedichte vor Herausforderungen, sodass die Erforschung von Alternativen wie CIBs für eine nachhaltige Zukunft unerlässlich ist.

CIBs sind aufgrund ihres mit LIBs vergleichbaren elektrochemischen Fensters und ihrer Häufigkeit auf der Erde vielversprechend. Allerdings haben sie Schwierigkeiten, insbesondere bei der Erzielung eines effizienten Kationentransports und der Aufrechterhaltung einer stabilen Zyklenleistung. Diese Hindernisse schränken derzeit die Wettbewerbsfähigkeit von CIBs gegenüber kommerziell erhältlichen LIBs ein.

Um diese Herausforderungen zu meistern, hat das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Yoonseob KIM, außerordentlicher Professor, Abteilung für Chemie- und Bioingenieurwesen, HKUST, redoxkovalente organische Gerüste entwickelt, die als QSSEs dienen. Diese carbonylreichen QSSEs zeigten eine bemerkenswerte Ionenleitfähigkeit (0,46 mS cm-1) und Ca2+-Transportfähigkeit (>0,53) bei Raumtemperatur. Durch die Kombination von experimentellen und Simulationsstudien zeigte das Team, dass Ca2+ schnell entlang der ausgerichteten Carbonylgruppen innerhalb der geordneten COF-Poren transportiert wird.

Dieser innovative Ansatz führte zur Schaffung einer vollständigen Kalziumionenzelle, die eine reversible spezifische Kapazität von 155,9 mAh g-1 bei 0,15 A g-1 aufwies und nach 1.000 Zyklen eine Kapazitätserhaltung von über 74,6 Prozent bei 1 A g-1 beibehielt, was das Potenzial von Redox-COFs zur Weiterentwicklung der CIB-Technologie verdeutlicht.

Schematische Darstellung der in dieser Arbeit realisierten Syntheseprozesse zur Herstellung von Quasi-Festkörperelektrolyten auf der Basis kovalenter organischer Gerüste und zum Betrieb von Vollzellen. (Bild:HKUST)

Hier ist ein exklusiver Tech Briefs Interview, aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet, mit Kim.

Technische Kurzinformationen :Was war die größte technische Herausforderung für Sie bei der Entwicklung dieses Durchbruchs in der CIB-Technologie?

Kim :Die größte Herausforderung war die von Natur aus langsame Bewegung von Kalziumionen. Im Vergleich zu Lithiumionen sind Calciumionen größer und stärker geladen, was ihre Diffusion deutlich langsamer macht – insbesondere in Quasi-Festkörperelektrolyten, wo die Leitfähigkeit mehr als zehnmal niedriger sein kann als die von Lithium. Die Überwindung dieses erheblichen Leitfähigkeitsabfalls war entscheidend für die Rentabilität von Kalziumionenbatterien.

Um dieses Problem anzugehen, haben wir die Verwendung hochkristalliner poröser Materialien zum Aufbau vertikal ausgerichteter Ionentransportwege untersucht. Durch die Konstruktion dieser Strukturen wollten wir kontinuierliche Kanäle schaffen, die die Ionenbewegung erleichtern. Darüber hinaus haben wir strategisch platzierte aktive Stellen entlang dieser Wege eingeführt, um einen effizienten Calciumionentransport zu fördern und aufrechtzuerhalten. Dieser Ansatz war nicht nur innovativ, sondern auch außerordentlich anspruchsvoll in der Umsetzung, da er eine präzise Kontrolle der Materialarchitektur und Oberflächenchemie im Nanomaßstab erforderte.

Technische Kurzinformationen :Können Sie bitte in einfachen Worten erklären, wie es funktioniert?

Kim :Stellen Sie sich eine herkömmliche Batterie als zwei durch eine Brücke verbundene Behälter vor. Ionen – geladene Träger – müssen diese Brücke überqueren, um Strom zu erzeugen. Bei Kalziumbatterien besteht die Herausforderung darin, dass Kalziumionen größer und „klebriger“ sind als die Lithiumionen, die heute in den meisten Batterien verwendet werden. Sie neigen dazu, unterwegs langsamer zu werden oder stecken zu bleiben, insbesondere in unserem quasi-festen Elektrolyten – der eher einem Feststoff als einer Flüssigkeit ähnelt.

Deshalb haben wir innerhalb unserer Batterie ein spezielles Autobahnsystem gebaut. Mit porösen Materialien haben wir klare Bahnen geschaffen, die die Kalziumionen in die richtige Richtung leiten. Unterwegs haben wir auch „Tankstellen“ hinzugefügt – Stellen, die den Ionen einen kleinen Schub geben, damit sie in Bewegung bleiben. Dieses Design trägt dazu bei, dass sich die großen Kalziumionen effizient bewegen, sodass die Batterie Energie effektiv speichern und liefern kann, indem sie reichlich Kalzium anstelle von knappem Lithium verwendet.

Technische Kurzinformationen :Haben Sie feste Pläne für weitere Forschung/Arbeit/etc.? Wenn nicht, was sind Ihre nächsten Schritte?

Kim :Ja, wir haben klare nächste Schritte. Zunächst planen wir, die Ionentransportkanäle weiter zu optimieren, um eine noch höhere Calciumionenleitfähigkeit zu erreichen. Unser Ziel ist es, die Leitung einzelner Calciumionen durch die kovalenten organischen Gerüstmaterialien (COFs) zu ermöglichen – das heißt, jeder Kanal transportiert Ionen effizienter, wie eine dedizierte Schnellstraße.

Zweitens werden wir an der Optimierung der Kathoden- und Anodenmaterialien und -strukturen arbeiten. Letztendlich wollen wir eine vollständig festkörperbasierte Calcium-Ionen-Batterie entwickeln, die die Energiedichte und Sicherheit weiter verbessern würde. Dies bringt uns einem praktischen, leistungsstarken Akku mit reichlich Kalzium näher.

Technische Kurzinformationen :Gibt es noch etwas, das Sie hinzufügen möchten, das ich nicht angesprochen habe?

Kim :Ich werde über die vielversprechende Richtung wiederaufladbarer Batterien sprechen, eine wichtige Richtung, über die wir uns freuen:Im Moment konzentrieren wir uns auf den Bau von Batterien mit anodenaktiven Materialien, aber unser ultimatives Ziel ist die Entwicklung anodenfreier Batterien.

Stellen Sie sich eine Batterie vor, bei der Sie das Anodenmaterial nicht mit sich herumtragen müssen – es bildet sich während des Ladevorgangs von selbst. Dies würde die Energiedichte erheblich erhöhen, da jedes Stück Material effizient genutzt wird. Es ist, als würde man mehr Gepäck in denselben Koffer packen.

Anodenfreies Design gilt als die nächste Generation wiederaufladbarer Batterien, und wir glauben, dass die Kalziumchemie eine einzigartige Möglichkeit bietet, dorthin zu gelangen. Es ist ehrgeizig, aber daran arbeiten wir.

Technische Kurzinformationen :Haben Sie einen Rat für Forscher, die ihre Ideen verwirklichen möchten?

Kim :Hier sind einige Vorschläge:

Erstens:Vermeiden Sie schwierige Probleme nicht – nehmen Sie sie an. Wenn eine Herausforderung schwierig ist, bedeutet das, dass die Lösung wertvoll ist. Calciumionen sind von Natur aus langsamer als Lithium, aber die Bewältigung dieser grundlegenden Herausforderung macht diesen Durchbruch bedeutsam.

Zweitens:Denken Sie strukturell und nicht nur chemisch. Manchmal liegt die Antwort nicht im neuen Material, sondern in der Art und Weise, wie man es arrangiert. Unser poröser Kanalentwurf entstand aus der Frage nicht nur „was“, sondern auch „wie“ – wie bewegen sich Ionen tatsächlich durch den Raum?

Und schließlich bleiben Sie geduldig, aber beharrlich. Durchbrüche passieren selten über Nacht. Sie entstehen durch kleine, inkrementelle Erfolge – wie die Verbesserung der Leitfähigkeit um ein paar Prozent, dann um ein paar mehr, bis man plötzlich eine Schwelle überschreitet.

Die Probleme, die es wert sind, gelöst zu werden, sind diejenigen, die nicht so schnell aufgeben.