Chinesische Forscher haben die Leistung von Natriumionenbatterien erheblich verbessert, indem sie Hydrogelelektrolyte methyliert und so deren Salzabsorption und Stabilität erhöht haben. Dieser Fortschritt verbessert nicht nur die Effizienz dieser umweltfreundlichen Batterien, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für den Einsatz von Hydrogelen in verschiedenen Technologien.
Flexible Wasserbatterien, die üblicherweise in tragbaren elektronischen Geräten verwendet werden, enthalten typischerweise einen Hydrogel-Elektrolyten, der aus Wasser und Salz besteht. Ein chinesisches Forschungsteam hat erhebliche Fortschritte bei der Verbesserung der Salzstabilität von Hydrogelen in Natrium-Ionen-Batterien erzielt. Sie methylierten das Strukturpolymer des Hydrogels, was ein Aussalzen verhinderte und so die Kapazität und Zyklenleistung der Batterie verbesserte.
Ihre Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift AngewandteChemie veröffentlicht.
Natrium-Ionen-Batterien sind eine vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, da sie günstigere und umweltfreundlichere Materialien enthalten als Lithium-Ionen-Batterien. Neue Batterien erfordern jedoch die Entwicklung vieler neuer Komponenten, die alle an Natriumionen angepasst werden müssen. Eine der grundlegendsten Komponenten ist der Elektrolyt, der in dünnen, flexiblen Batterien oft in Form eines Hydrogels vorliegt. Diese flexiblen wasserhaltigen Materialien absorbieren gelöste Natriumsalze und leiten Ionen.
Obwohl Hydrogele geeignet sind, ist das Auftreten von Phasentrennung und Aussalzen bei den hohen Salzkonzentrationen, die für ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster erforderlich sind, ein ungelöstes Problem. Cui Guanglei und Kollegen vom Qingdao Institute of Energy der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben nun erfolgreich Natriumionen-Batterie-Hydrogele verbessert, sodass sie mehr Salz stabil und sicher absorbieren können.
Um dies zu erreichen, nutzten sie eine Technik, die auch in der Natur zur Regulierung der Wasser-Salz-Bindung großer biologischer Makromoleküle eingesetzt wird: die Methylierung. In Proteinen führt die Methylierung zu einer „Abdeckung“ von Amin- und Amidgruppen, wodurch die Zugänglichkeit von Wassermolekülen für Vernetzungen und die Solubilisierung von Salzionen innerhalb der Proteinstruktur verringert wird.
Da die in Hydrogelen verwendeten Polyamidpolymere auch Amidgruppen enthalten, kann es bei der weitgehenden Vernetzung durch Wassermoleküle zu einer Aussalzung und damit zur Elektrolytzersetzung kommen. Vor diesem Hintergrund verglich das Team Hydrogele aus gewöhnlichen Polyamiden mit solchen aus Polyamiden mit methylierten Amidgruppen. Letztere nimmt deutlich mehr Salz auf als die Originalvariante. Der Hydrogel-Elektrolyt bleibt transparent und stabil, selbst wenn die Salzkonzentration Rekordwerte erreicht.
Durch einen höheren Salzgehalt kann der elektrochemisch verfügbare Spannungsbereich der Batterie erweitert werden. Darüber hinaus beobachtete das Team keine Anzeichen eines Elektrodenzerfalls, die Zyklenstabilität war besser und die zusammengebaute Batterie hatte eine größere Kapazität als ihr unmethyliertes Gegenstück. In diesem System kann sogar billige Aluminiumfolie als Stromkollektor verwendet werden.
Die Autoren schlagen vor, dass die einfache Polyamid-Methylierung auch in anderen Technologien, etwa der Arzneimittelentwicklung, genutzt werden könnte, um Hydrogele salztoleranter und damit stabiler zu machen.