Een onderzoeksteam onder leiding van prof. CHEN Wei van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) heeft een nieuw chemisch batterijsysteem geïntroduceerd dat waterstofgas als anode gebruikt. De studie werd gepubliceerd in hetAngewandte Chemie Internationale Editie.
Waterstof (H2) heeft de aandacht getrokken als een stabiele en kosteneffectieve hernieuwbare energiedrager vanwege zijn gunstige elektrochemische eigenschappen. Traditionele waterstofbatterijen gebruiken echter voornamelijk H2als kathode, wat hun spanningsbereik beperkt tot 0,8–1,4 V en hun totale energieopslagcapaciteit beperkt. Om deze beperking te overwinnen, stelde het onderzoeksteam een nieuwe aanpak voor: het gebruik van H2als anode om de energiedichtheid en werkspanning aanzienlijk te verbeteren. In combinatie met lithiummetaal als anode vertoonde de batterij uitzonderlijke elektrochemische prestaties.
Schematische weergave van de Li-H-batterij. (Afbeelding van USTC)
De onderzoekers ontwierpen een prototype Li-H-batterijsysteem, met daarin een lithiummetaalanode, een met platina bedekte gasdiffusielaag die als waterstofkathode fungeert en een vaste elektrolyt (Li1.3Al0,3Ti1.7(PO4)3, of LATP). Deze configuratie maakt efficiënt lithiumionentransport mogelijk en minimaliseert ongewenste chemische interacties. Tijdens tests toonde de Li-H-accu een theoretische energiedichtheid van 2825 Wh/kg, met een constante spanning van ongeveer 3 V. Bovendien behaalde de accu een opmerkelijke retourefficiëntie (RTE) van 99,7%, wat wijst op minimaal energieverlies tijdens laad- en ontlaadcycli, terwijl de stabiliteit op lange termijn behouden blijft.
Om de kostenefficiëntie, veiligheid en productievereenvoudiging verder te verbeteren, ontwikkelde het team een anodeloze Li-H-batterij die de noodzaak van vooraf geïnstalleerd lithiummetaal elimineert. In plaats daarvan deponeert de batterij lithium uit lithiumzouten (LiH2PO4en LiOH) in de elektrolyt tijdens het opladen. Deze versie behoudt de voordelen van de standaard Li-H-batterij, maar introduceert ook extra voordelen. Het maakt efficiënte lithiumplating en -stripping mogelijk met een Coulombische efficiëntie (CE) van 98,5%. Bovendien werkt het stabiel, zelfs bij lage waterstofconcentraties, waardoor de afhankelijkheid van H₂-opslag onder hoge druk wordt verminderd. Computationele modellering, zoals Density Functional Theory (DFT)-simulaties, werd uitgevoerd om te begrijpen hoe lithium- en waterstofionen zich binnen de elektrolyt van de batterij bewegen.
Deze doorbraak in Li-H-batterijtechnologie biedt nieuwe mogelijkheden voor geavanceerde energieopslagoplossingen, met potentiële toepassingen in hernieuwbare energienetwerken, elektrische voertuigen en zelfs de lucht- en ruimtevaart. Vergeleken met conventionele nikkel-waterstofbatterijen levert het Li-H-systeem een hogere energiedichtheid en efficiëntie, waardoor het een sterke kandidaat is voor de volgende generatie energieopslag. De anodeloze versie legt de basis voor kosteneffectievere en schaalbare waterstofbatterijen.
Papierlink:https://doi.org/10.1002/ange.202419663
(Geschreven door ZHENG Zihong, bewerkt door WU Yuyang)
Plaatsingstijd: 12-03-2025