Forscher schlagen nichtwässrige Mangan-Metallbatterien vor

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Bei CleanTechnicaWir bemühen uns, unsere Leser über neue Technologien auf dem Laufenden zu halten, die darauf hindeuten könnten, dass bessere Batterien für Elektrofahrzeuge in Sicht sind. Berichten zufolge wird SK On diesen Monat zwei neue LFP-Batterien einführen, um den Bedenken der Fahrer von Elektrofahrzeugen entgegenzuwirken. Entsprechend BloombergDas südkoreanische Unternehmen wird in Kürze seine Winter Pro-Batterien vorstellen, die die Ladekapazität um 16 % erhöhen und die Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien bei -20 °C (-4 °F) um 19 % erhöhen. Darüber hinaus gibt das Unternehmen an, dass seine neuesten SF+-Batterien in nur 15 Minuten einen Ladezustand von 80 % erreichen können – 3 Minuten schneller als herkömmliche SF-Batterien.

Das sind alles gute Nachrichten, aber Forscher in China sagen, dass sie möglicherweise den Schlüssel zur Herstellung von Manganbatterien gefunden haben, die eine höhere Energiedichte haben und weniger kosten als alle Produkte auf Lithiumbasis. Mangan kommt in der Erdkruste weitaus häufiger vor, was bedeutet, dass Batterien, die Mangan verwenden, weniger kosten können als Lithiumbatterien.

Die Forschung zu Manganbatterien ist nicht neu, doch ihre Leistung war bisher enttäuschend. Was die Forscher herausgefunden haben, ist, dass die Verwendung eines mit Halogen angereicherten, nichtwässrigen Elektrolyten – insbesondere eines, der Chlor enthält – Mangan-Metallbatterien mit langer Lebensdauer und höherer Energiedichte ermöglicht, ohne die Dendritenprobleme, die bei Manganbatterien mit wässrigen Elektrolyten auftreten. Die Forschung wurde am 20. März 2024 in der Zeitschrift veröffentlicht Joule.

Ein Durchbruch bei Manganbatterien

Unter der Leitung von Wei Chen von der Universität für Wissenschaft und Technologie in China entwickelten die Forscher einen halogenvermittelten nichtwässrigen Elektrolyten, der die Bildung von Dendriten auf der Anode verhindert. Die Technologie sei „vollkommen kompatibel“ mit Mangan und verhindere, dass das Element mit dem Elektrolyten reagiert, wie dies bei einer wässrigen Lösung der Fall wäre, behaupten sie in der Studie. Die Manganbatterie hat eine Auflösungs-/Abscheidungseffizienz von mehr als 90 % und „kann über 1.000 Stunden lang stabil betrieben werden“.

In der Einleitung zu ihrer Forschung schreibt das Team, dass Mangan, das in der Erdkruste in Konzentrationen von 1000 ppm weit verbreitet ist, eines der wesentlichen Elemente in allen bekannten lebenden Organismen sei. Darüber hinaus ist Mangan im Gegensatz zu hochreaktiven Erdalkalimetallen wie Lithium an der Luft stabil, was bedeutet, dass es unter Umgebungsbedingungen gehandhabt und gelagert werden kann, was seine Produktions- und Lagerkosten weiter senkt. Damit ist sie der günstigste Preis unter den häufig genannten Metallanoden. Abgesehen von seinen geringen Kosten bietet es aufgrund seiner Zwei-Elektronen-Transfereigenschaft und seiner hohen Dichte auch die größte theoretische volumetrische Kapazität.

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„Manganionen … weisen eine Halogen-verbrückte Clusterstruktur auf, die der Schlüssel zur Reduzierung des Überpotentials der Manganablagerung und zur Vermeidung von Nebenreaktionen ist und so einen stabilen Batteriebetrieb gewährleistet“, schreiben die Autoren. „Es sollte beachtet werden, dass als [the electrolyte] Obwohl das Überpotenzial bei der Manganbeschichtung erheblich verringert wurde, kann diese halogenvermittelte Strategie auch Inspirationen für die Metallgalvanisierungsindustrie auslösen, um die Energieeffizienz zu steigern.“ Die Forschung ergab, dass ein halogenvermittelter nichtwässriger Elektrolyt perfekt mit Manganmetall kompatibel ist und das schwerwiegende Dendritenproblem in wässrigen Elektrolyten beseitigt ist.

Im Fachjargon der wissenschaftlichen Welt stellen die Forscher fest, dass sie einen halogenmodulierten, nichtwässrigen Elektrolyten für Mangan-Metallbatterien entwickelt haben, der über eine hochgradig reversible, stabile und dendritenfreie Mangananode verfügt. Durch die Kombination theoretischer Berechnungen und dynamischer Simulationen mit experimentellen Messungen wurden aktive kationische Spezies in den experimentellen Batterien entdeckt [Mn2(μ-Cl)3(THF)6]+, wobei drei verbrückte Cl-Atome eine entscheidende Rolle bei der Verringerung des Mangan-Plattierungs- und Stripping-Überpotentials und der Erhöhung der Coulomb-Effizienz spielen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Manganbatterien sowohl chemisch als auch elektrochemisch stabil waren.

Das wegnehmen

Diese Forschung weist den Weg zu Batterien, die eine deutlich höhere Energiedichte haben als alle derzeit verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien und gleichzeitig aufgrund des relativen Vorkommens von Mangan viel kostengünstiger herzustellen sind. Obwohl die Lithiumpreise in den letzten 12 Monaten dramatisch gesunken sind, ist Lithium mit 1.250 US-Dollar pro Tonne für Spodumen, das Erz, aus dem das in Batterien verwendete Lithium stammt, immer noch weitaus teurer. Der Preis für Manganerz liegt bei etwa 5,00 $ pro Tonne. Das macht deutlich, warum diese Forschung in Zukunft eine große Neuigkeit für die Energiespeicherung aller Art sein könnte.

Natürlich geschieht das alles derzeit in einem Labor. Es ist ein langer und kurvenreicher Weg vom Labor bis zur kommerziellen Produktion, wie jeder, der die Fortschritte von QuantumScape und StoreDot in den letzten fünf Jahren verfolgt hat. Wenn einer von uns im Jahr 2030 noch am Leben ist, werden wir möglicherweise kostengünstige Elektroautos mit Manganbatterien fahren, vorausgesetzt, internationale Konflikte und Handelskriege stehen uns nicht im Weg.