Direkte Umwandlung von rostigem Edelstahlgewebe in stabile, kostengünstige Elektroden für Kaliumionenbatterien

Direkte Umwandlung von rostigem Edelstahlgewebe in stabile, kostengünstige Elektroden für Kaliumionenbatterien

Chinesische Wissenschaftler haben Abfälle sinnvoll genutzt und gleichzeitig eine innovative Lösung für ein technisches Problem gefunden, indem sie rostiges Edelstahlgewebe in Elektroden mit hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften umgewandelt haben, die sie ideal für Kaliumionenbatterien machen. Wie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, wird der Rost direkt in eine kompakte Schicht mit Gitterstruktur umgewandelt, die Kaliumionen speichern kann. Eine Beschichtung aus reduziertem Graphitoxid erhöht die Leitfähigkeit und Stabilität während der Lade- / Entladezyklen.

Der zunehmende Einsatz erneuerbarer Energien erfordert eine effektive Speicherung von Energie im Netz. Lithium-Ionen-Batterien, die in der tragbaren Elektronik weit verbreitet sind, sind vielversprechende Kandidaten. Lithium-Ionen-Batterien basieren auf der Verdrängung von Lithiumionen. Während des Ladens bewegen sich die Ionen zur Graphitelektrode, wo sie zwischen den Kohlenstoffschichten gespeichert werden. Beim Entladen werden sie freigegeben. Lithium ist jedoch teuer und die Reserven sind begrenzt. Natrium-Ionen-Batterien wurden als Alternative untersucht.

"Kaliumionen sind genauso billig und leicht verfügbar wie Natrium, und Kaliumionenbatterien wären dem elektrischen Aspekt überlegen", berichtet Xin-Bo Zhang. "Jedoch hat der signifikant größere Radius der Kaliumionen ein Problem aufgeworfen. Die wiederholte Speicherung und Freisetzung dieser Ionen destabilisiert die derzeit in Elektroden verwendeten Materialien."

Zhang und ein Team der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Jilin (Changchun, China) haben jetzt eine elegante Lösung gefunden, um aus einem Abfallmaterial neuartige Elektroden herzustellen: zurückgewiesenes Edelstahlgewebe aus Filtern und Sieben. Trotz der ausgezeichneten Haltbarkeit dieser Gitter führen harte Bedingungen zu Korrosion. Das Metall kann in einem Ofen zurückgewonnen werden, aber dieses Verfahren erfordert viel Geld, Zeit und Energie und erzeugt Emissionen. Zhang: "Die Umwandlung in Elektroden könnte sich zu einer ökologisch und ökonomisch sinnvollen Form des Recyclings entwickeln."

Das korrodierte Netz wird in eine Lösung von Kaliumferrocyanid (gelbes Blutlaugensalz, bekannt als Schönungsmittel für Wein) getaucht. Dies löst Eisen-, Chrom- und Nickel-Ionen aus der Rostschicht. Diese verbinden sich mit Eisen (III) -cyanidionen zu dem komplexen Salz, das als Preußischblau bekannt ist, einem dunkelblauen Pigment, das auf der Oberfläche des Netzes als gerüstartige Nanowürfel abgelagert wird. Kaliumionen können leicht und schnell in diesen Strukturen gespeichert und freigesetzt werden.

Die Forscher verwenden dann einen Tauchbeschichtungsprozess, um eine Schicht Graphenoxid (oxidierte Graphitschichten) abzuscheiden. Diese Schicht schmiegt sich eng an die Nanowürfel an. Die anschließende Reduktion wandelt das Graphenoxid in reduziertes Graphenoxid (RGO) um, das aus Graphitschichten mit isolierten Sauerstoffatomen besteht. Zhang erklärt: "Die RGO-Beschichtung hemmt das Verklumpen und Ablösen des aktiven Materials. Gleichzeitig erhöht es die Leitfähigkeit signifikant und eröffnet ultraschnelle Elektronentransportwege."

In Tests zeigen Knopfzellen, die mit diesen neuen Elektroden hergestellt werden, eine ausgezeichnete Kapazität, Entladungsspannungen, Ratenfähigkeit und hervorragende Zyklusstabilität. Da die preiswerten, binderfreien Elektroden sehr flexibel sind, eignen sie sich sehr gut für den Einsatz in flexiblen elektronischen Geräten.