Die Zukunft der Batterietechnologie. Zukunftssichere Batterietechnologien für die Zukunft

"Quanten"-Batterie

Vom 26. bis 28. Februar findet in Tokio eine Speichermesse statt, auf der unter anderem Micronics Japan Co. vertreten ist. GmbH. Über ihre bisherigen Entwicklungen ist wenig bekannt, doch zuletzt gab sie bekannt, dass sie eine neuartige Schichtbatterie entwickelt und zur Produktion vorbereitet hat. Die Einzelzelle, die das Unternehmen demonstriert, ist ein n-Typ-Metalloxid-Halbleiterfilm, der Titandioxid-, Zinndioxid- und Zinkoxid-Partikel verwendet, die mit einem Isolierfilm beschichtet sind. Der Prototyp verwendet ein 10-Mikron-Edelstahlblech, wird aber bald durch Aluminium ersetzt.

Die Entwickler nannten ihre Batterie Quantum, um ihre physikalische und nicht chemische Natur zu betonen. Obwohl sie anstelle von Ionen Elektronen zum Speichern von Energie verwendet, unterscheidet sich diese Batterie im Prinzip von Kondensatoren. Es wird argumentiert, dass das System darauf basiert, Elektronen "in der Bandlücke" eines Halbleiters zu speichern.

Bei der Herstellung von Strukturen "Metall - Oxid - Halbleiter" wird die Ladungsschicht des Speichers mit ultraviolettem Licht bestrahlt. Nach der Herstellung nehmen Elektronen beim Laden freie Energieniveaus im Arbeitsmaterial ein und werden dort gespeichert, bis die Batterie entladen werden muss. Das Ergebnis sind wiederaufladbare Batterien mit einer sehr hohen Energiespeicherdichte.
Es ist nicht bekannt, was die Testmuster haben, aber der Entwickler behauptet, dass in naher Zukunft erscheinende Serienmuster eine Kapazität von bis zu 500 Wh/l haben und gleichzeitig bis zu 8.000 Watt liefern können Spitzenleistung pro Liter Volumen.
Diese Antriebe vereinen die besten Eigenschaften von Batterien und Superkondensatoren. Selbst bei geringer Kapazität können sie hohe Spitzenleistungen liefern. Die von solchen Antrieben abgenommene Spannung nimmt beim Entladen nicht ab, sondern bleibt bis zum Ende stabil.
Der angegebene Betriebstemperaturbereich reicht von -25 bis +85 ° C. Der Akku kann 100.000 Lade-Entlade-Zyklen unterzogen werden, bis die Kapazität unter 90% der ursprünglichen Kapazität sinkt. Die Fähigkeit, Energie schnell zu ziehen und abzugeben, verkürzt die Ladezeit erheblich. Außerdem sind diese Batterien feuerfest. Bei der Herstellung werden keine seltenen oder teuren Materialien verwendet. Generell gibt es so viele Pluspunkte, dass ich es kaum glauben kann.

Selbstladender Akku

Eine Gruppe von Forschern um Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology (USA) hat eine selbstaufladende Batterie entwickelt, die zum Aufladen nicht an eine Steckdose angeschlossen werden muss.
Das Gerät wird durch mechanischen Stoß bzw. durch Drücken aufgeladen. Der Einsatz in Smartphones und anderen Touch-Geräten ist geplant.
Die Entwickler legten ihr Gerät unter die Tasten des Rechners und konnten durch die Energie des Tastendrucks innerhalb von 24 Stunden die Funktionsfähigkeit sicherstellen.

Die Batterie ist ein "Prirog" aus Polyvinylidenfluorid und mehreren hundert Mikrometer dicken Zirkonat-Titanat-Blei-Folien. Beim Pressen wandern Lithium-Ionen aufgrund des piezoelektrischen Effekts von der Kathode zur Anode. Um die Effizienz des Prototyps zu verbessern, fügten die Forscher seinem piezoelektrischen Material Nanopartikel hinzu, die den entsprechenden Effekt verstärken und erreichten eine signifikante Steigerung der Kapazität und Geschwindigkeit des Aufladens des Geräts.
Sie müssen verstehen, dass der Akku undurchsichtig ist, sodass er nur unter den Tasten oder unter dem Bildschirm platziert werden kann.
Der Akku hat nicht so herausragende Eigenschaften wie das zuvor beschriebene Gerät (die Kapazität eines Akkus in der Größe eines Standard-"Tablets" für Mainboards ist jetzt von anfänglich 0,004 auf 0,010 mAh angewachsen), aber die Entwickler versprechen, mehr an seiner zu arbeiten Effizienz. Industrielle Designs sind noch in weiter Ferne, obwohl flexible Bildschirme - die Hauptgeräte, in denen Entwickler ihre Batterien unterbringen wollen - noch immer schlecht verbreitet sind. Es bleibt noch Zeit, Ihre Erfindung zu finalisieren und in die Produktion einzuführen.

Zuckerbatterie

Es scheint, dass nur Asiaten Batterien entwickeln. Der Prototyp einer anderen ungewöhnlichen Batterie wurde an der American Polytechnic University of Virginia erstellt.

Diese Batterie läuft im Wesentlichen mit Zucker, genauer gesagt mit Maltodextrin, einem Polysaccharid, das durch Stärkehydrolyse gewonnen wird. Der Katalysator in einer solchen Batterie ist ein Enzym. Es ist deutlich günstiger als Platin, das heute in herkömmlichen Batterien verwendet wird. Eine solche Batterie gehört zum Typ der Enzymbrennstoffzelle. Strom wird hier durch die Reaktion von Sauerstoff, Luft und Wasser erzeugt. Im Gegensatz zu Wasserstoff-Brennstoffzellen sind Enzyme nicht brennbar und nicht explosiv. Und wenn der Akku leer ist, kann er laut den Entwicklern mit Zucker betankt werden.
Über die technischen Eigenschaften dieses Batterietyps ist wenig bekannt. Es wird lediglich behauptet, dass die Energiedichte in ihnen um ein Vielfaches höher ist als in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Die Kosten für solche Batterien sind deutlich niedriger als bei herkömmlichen, daher sind die Entwickler zuversichtlich, dass sie in den nächsten 3 Jahren einen kommerziellen Einsatz finden werden. Warten wir das Versprochene ab.

Batterie mit Granatenstruktur

Wissenschaftler des amerikanischen National Accelerating Laboratory SLAC der Stanford University beschlossen jedoch, das Volumen herkömmlicher Batterien mit der Struktur einer Granate zu erhöhen.

Die Entwickler haben die Anoden so weit wie möglich verkleinert und jeweils in eine Karbonhülle gesteckt. Dies verhindert ihre Zerstörung. Während des Ladevorgangs dehnen sich die Partikel aus und verbinden sich zu Clustern, die ebenfalls in einer Kohlenstoffhülle untergebracht sind. Durch solche Manipulationen ist die Kapazität dieser Batterien 10-mal höher als die herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien.
Experimente zeigen, dass der Akku nach 1000 Lade-/Entladezyklen 97% seiner ursprünglichen Kapazität behält.
Es ist jedoch noch zu früh, um über die kommerzielle Anwendung dieser Technologie zu sprechen. Die Herstellung von Silizium-Nanopartikeln ist zu teuer und der Herstellungsprozess solcher Batterien zu kompliziert.

Atombatterien

Und zum Schluss erzähle ich euch von der Entwicklung Britische Wissenschaftler... Sie beschlossen, ihre Kollegen zu übertreffen, indem sie einen Miniatur-Atomreaktor bauen. Ein Prototyp einer Atombatterie, die Forscher der University of Surrey auf Basis von Tritium entwickelt haben, produziert genug Energie, um ein Mobiltelefon 20 Jahre lang zu betreiben. Es stimmt, Sie können es später nicht wieder aufladen.

In der Batterie, die ein integrierter Mikroschaltkreis ist, tritt eine Kernreaktion auf, wodurch 0,8 - 2,4 Watt Energie erzeugt werden. Die Betriebstemperatur des Akkus liegt zwischen -50 und +150. Gleichzeitig hat sie keine Angst vor plötzlichen Temperatur- und Druckänderungen.
Die Entwickler behaupten, dass Tritium, das in der Batterie enthalten ist, für den Menschen nicht gefährlich ist, denn da gibt es sehr wenig inhalt. Allerdings ist es noch zu früh, um von der Massenproduktion solcher Netzteile zu sprechen – Wissenschaftler müssen noch viel forschen und testen.

Abschluss

Natürlich werden nicht alle der oben genannten Technologien ihre Anwendung finden, dennoch muss man verstehen, dass in den nächsten Jahren ein Durchbruch in der Technologie der Batterieproduktion erfolgen sollte, was einen Anstieg der Verbreitung von Elektrofahrzeugen und der Produktion mit sich bringen wird von Smartphones und anderen elektronischen Geräten eines neuen Typs.

Anfang der 90er Jahre erfolgte ein großer Schritt in der Batterietechnologie – die Erfindung der Lithium-Ionen-Energiespeicher. Dies ermöglichte uns, Smartphones und sogar Elektrofahrzeuge in der Form zu sehen, in der sie jetzt existieren, aber seitdem wurde nichts ernsthaftes in diesem Bereich erfunden, dieser Typ wird immer noch in der Elektronik verwendet.

Einst waren Li-Ionen-Akkus mit erhöhter Kapazität und fehlendem „Memory-Effekt“ wirklich ein technologischer Durchbruch, doch jetzt sind sie der erhöhten Belastung nicht mehr gewachsen. Es gibt immer mehr Smartphones mit neuen, nützlichen Features, die letztendlich die Belastung des Akkus erhöhen. Gleichzeitig sind Elektrofahrzeuge mit solchen Batterien noch zu teuer und wirkungslos.

Damit Smartphones lange funktionieren und klein bleiben, werden neue Batterien benötigt.

Flüssige Elektrodenbatterien

Einer der interessanten Versuche, die Probleme herkömmlicher Batterien zu lösen, ist die Entwicklung von "Flow"-Batterien mit flüssigem Elektrolyt. Das Funktionsprinzip solcher Batterien basiert auf der Wechselwirkung zweier geladener Flüssigkeiten, die von Pumpen durch eine Zelle getrieben werden, in der ein elektrischer Strom erzeugt wird. Die Flüssigkeiten in dieser Zelle vermischen sich nicht, sondern werden wie in einer herkömmlichen Batterie durch eine Membran getrennt, durch die geladene Teilchen hindurchtreten.

Die Batterie kann wie gewohnt geladen oder mit einem neuen, geladenen Elektrolyten gefüllt werden. In diesem Fall dauert der Vorgang nur wenige Minuten, wie das Einfüllen von Benzin in einen Benzintank. Diese Methode ist in erster Linie für ein Auto geeignet, aber auch für die Elektronik nützlich.

Natriumbatterien

Die Hauptnachteile von Lithium-Ionen-Batterien sind der hohe Materialaufwand, eine relativ geringe Anzahl von Entlade-Ladezyklen und die Brandgefahr. Daher versuchen Wissenschaftler seit langem, diese Technologie zu verbessern.

In Deutschland wird nun an Natriumbatterien gearbeitet, die langlebiger, günstiger und leistungsstärker sein sollen. Die Elektroden der neuen Batterie werden aus verschiedenen Schichten zusammengesetzt, wodurch die Batterie schnell aufgeladen werden kann. Derzeit wird nach einem zuverlässigeren Elektrodendesign gesucht, wonach man abschätzen kann, ob diese Technologie in Serie geht oder eine andere Entwicklung besser ist.

Lithium-Schwefel-Batterien

Eine weitere Neuentwicklung sind Lithium-Schwefel-Batterien. Es ist geplant, in diesen Batterien eine Schwefelkathode zu verwenden, was eine erhebliche Reduzierung der Batteriekosten bedeutet. Diese Batterien befinden sich bereits in einem hohen Bereitschaftszustand und könnten bald in Serie gehen.

Theoretisch können Lithium-Schwefel-Batterien höhere Energiekapazitäten erreichen als Lithium-Ionen-Batterien, die bereits an ihre Grenzen gestoßen sind. Es ist sehr wichtig, dass Lithium-Schwefel-Batterien vollständig entladen und ohne Memory-Effekt auf unbestimmte Zeit in einem vollständig entladenen Zustand gelagert werden können. Schwefel ist ein Nebenprodukt der Erdölraffination, die neuen Batterien enthalten keine Schwermetalle (Nickel und Kobalt), die neue Zusammensetzung der Batterien wird umweltfreundlicher und die Batterien werden einfacher zu entsorgen sein.

Bald wird sich zeigen, welche Technologie die erfolgversprechendste ist und die alternden Lithium-Ionen-Akkus ablösen wird.

In der Zwischenzeit laden wir Sie ein, sich mit dem beliebten Beruf vertraut zu machen.

Der spezifische Energieverbrauch moderner Lithium-Ionen-Akkus erreicht 200 W*h/kg. Im Durchschnitt reicht dies nur für 150 Kilometer ohne Nachladen, was nicht mit der Laufleistung bei einer Betankung von Autos mit konventionellem Verbrennungsmotor zu vergleichen ist. Damit Elektrofahrzeuge zum Mainstream werden, müssen sie eine vergleichbare Laufleistung aufweisen. Dazu müssen Sie den spezifischen Energieverbrauch von Batterien auf mindestens 350-400 W * h / kg bringen. Die nachfolgend beschriebenen vielversprechenden Batterietypen werden es bieten können, obwohl es in jedem Fall "Aber" gibt.

Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch eine große spezifische Kapazität aus, die darauf zurückzuführen ist, dass jedes Molekül bei einer chemischen Reaktion nicht ein, sondern zwei freie Elektronen abgibt. Ihre theoretische spezifische Energie beträgt 2600 W * h / kg. Zudem sind solche Batterien deutlich günstiger und sicherer als Lithium-Ionen-Batterien.

Die Basis-Li-S-Batterie besteht aus einer Lithium-Anode, einer Kohlenstoff-Schwefel-Kathode und einem Elektrolyten, der von Lithiumionen durchströmt wird. Bei der Entladung findet eine chemische Reaktion statt, bei der das Lithium der Anode in Lithiumsulfid umgewandelt wird, das sich an der Kathode ablagert. Die Batteriespannung liegt je nach Batterieentladung zwischen 1,7 und 2,5 V. Während der Reaktion erzeugte Lithiumpolysulfide beeinflussen die Batteriespannung.

Die chemische Reaktion in der Batterie geht mit einer Reihe von negativen Nebenwirkungen einher. Wenn der Kathodenschwefel Lithiumionen aus dem Elektrolyten absorbiert, wird Lithiumsulfid Li 2 S gebildet, das an der Kathode abgeschieden wird. Gleichzeitig steigt sein Volumen um 76 %. Während des Ladens tritt eine Rückreaktion auf, die zu einer Verkleinerung der Kathode führt. Als Folge erfährt die Kathode erhebliche mechanische Überlastungen, was zu ihrer Beschädigung und dem Verlust des Kontakts mit dem Stromkollektor führt. Darüber hinaus verschlechtert Li 2 S den elektrischen Kontakt in der Kathode zwischen Schwefel und Kohlenstoff (den Weg, durch den sich Elektronen bewegen) und verhindert den Fluss von Lithiumionen zur Schwefeloberfläche.

Ein weiteres Problem hängt damit zusammen, dass bei der Reaktion zwischen Schwefel und Lithium Li 2 S nicht sofort gebildet wird, sondern durch eine Reihe von Umwandlungen, bei denen Polysulfide gebildet werden (Li 2 S 8, Li 2 S 6 usw.) . Wenn jedoch Schwefel und Li 2 S im Elektrolyten unlöslich sind, lösen sich Polysulfide dagegen auf. Dies führt zu einer allmählichen Abnahme der Schwefelmenge an der Kathode. Ein weiteres Ärgernis ist das Auftreten von Rauhigkeit auf der Oberfläche der Lithiumanode während des Durchgangs großer Entlade- und Ladeströme. All dies zusammen führte dazu, dass eine solche Batterie nicht mehr als 50-60 Entlade-Ladezyklen überstehen konnte und sie für den praktischen Gebrauch ungeeignet machte.

Doch die neuesten Entwicklungen der Amerikaner aus dem National Laboratory. Lawrence in Berkeley konnte diese Mängel beseitigen. Sie schufen eine einzigartige Kathode aus einem Nanokompositmaterial (Graphen und Schwefeloxid), dessen Integrität durch eine elastische Polymerbeschichtung erhalten bleibt. Daher führt eine Änderung der Abmessungen der Kathode während der Entladungsladung nicht zu ihrer Zerstörung. Ein Tensid (Tensid) wird verwendet, um Schwefel vor Auflösung zu schützen. Da das Tensid kationisch ist (d. h. von der Oberfläche der Schwefelschicht angezogen wird), verhindert es nicht die Reaktion von Lithiumanionen mit Schwefel, lässt aber die dabei gebildeten Polysulfide nicht im Elektrolyten auflösen und hält sie unter seiner Schicht. Außerdem wurde ein neuer Elektrolyt auf Basis einer ionischen Flüssigkeit entwickelt, in der sich Polysulfide nicht lösen. Ionische Flüssigkeit und viel sicherer - es brennt nicht und verdunstet kaum.

Durch alle beschriebenen Neuerungen wird die Akkuleistung deutlich gesteigert. Seine anfängliche spezifische Energie beträgt 500 W * h / kg, was mehr als das Doppelte von Li-Ionen-Batterien ist. Nach 1500 20-stündigen Entlade-Lade-Zyklen (C = 0,05) sank seine spezifische Energie auf das Niveau einer frischen Li-Ionen-Batterie. Nach 1500 1-Stunden-Zyklen (C = 1) betrug der Rückgang 40-50%, aber die Batterie war noch betriebsbereit. Wenn die Batterie mit hoher Leistung getestet wurde und sie einem 10-minütigen Entlade-Lade-Zyklus (C = 6) unterzogen wurde, übertraf ihre spezifische Energie selbst nach 150 solcher Zyklen die einer frischen Li-Ionen-Batterie.

Der geschätzte Preis einer solchen Li-S-Batterie wird 100 US-Dollar pro kWh Kapazität nicht überschreiten. Viele der vom Berkeley-Forschungsteam vorgeschlagenen Innovationen können verwendet werden, um bestehende Li-Ionen-Batterien zu verbessern. Um ein praxisgerechtes LiS-Batteriedesign zu erstellen, suchen Entwickler nach Partnern, die die finale Entwicklung der Batterie finanzieren.

Lithium-Titanat-Batterien

Das größte Problem moderner Lithium-Ionen-Batterien ist der geringe Wirkungsgrad, vor allem deshalb, weil Energiespeichermaterialien nur 25 % des Batterievolumens einnehmen. Die restlichen 75 % sind inerte Materialien: Gehäuse, leitfähige Folien, Kleber usw. Aus diesem Grund sind moderne Batterien zu sperrig und zu teuer. Die neue Technologie beinhaltet eine deutliche Reduzierung von „Abfall“-Materialien im Batteriedesign.

Die neuesten Lithium-Titanat-Batterien haben dazu beigetragen, einen weiteren Nachteil von Li-Ionen-Batterien zu überwinden - ihre Zerbrechlichkeit und Aufladezeit. Im Zuge der Forschung wurde festgestellt, dass beim Laden mit hohen Strömen Lithium-Ionen gezwungen werden, zwischen den Graphit-Mikroplatten zu "waten", wodurch die Elektroden nach und nach zerstört werden. Daher wurde Graphit in den Elektroden durch Strukturen aus Lithiumtitanat-Nanopartikeln ersetzt. Sie stören die Bewegung der Ionen nicht, was letztendlich zu einer fantastischen Erhöhung der Lebensdauer führte – über 15.000 Zyklen über 12 Jahre! Die Ladezeit wird von 6-8 Stunden auf 10-15 Minuten reduziert. Weitere Vorteile sind thermische Stabilität und geringere Toxizität.

Experten schätzen, dass die neuen Batterien eine doppelt so hohe Energiedichte aufweisen werden wie die besten heute verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien. So wird bei konstanter Reichweite des Elektroautos seine Batterie leichter und bei gleichem Gewicht die Reichweite deutlich erhöht. Wenn die neue Batterie in Serie gehen kann, erhöht sich die Laufleistung von kompakten Elektrofahrzeugen (die nicht mit einer großen, schweren Batterie ausgestattet werden können) im Durchschnitt von 150 km auf 300 km mit einer einzigen Ladung. Gleichzeitig werden die neuen Batterien halb so teuer wie die aktuellen - nur 250 Dollar pro kW / h.

Lithium-Luft-Batterien

Die Technik steht nicht still und Wissenschaftler arbeiten bereits an einem praxistauglichen Design für eine Lithium-Luft-Batterie (LiO 2). Seine theoretische Energiekapazität ist 8-10 mal höher als die von Lithium-Ionen. Um das Gewicht der Batterie zu reduzieren und gleichzeitig ihre Kapazität beizubehalten oder sogar zu erhöhen, haben Wissenschaftler eine radikale Lösung vorgeschlagen - die Ablehnung der herkömmlichen Kathode: Lithium wird direkt mit Sauerstoff aus der Luft interagieren. Dank der katalytischen Luftkathode soll sie nicht nur die Energiekapazität der Batterie erhöhen, sondern auch ihr Volumen und Gewicht um fast den gleichen Betrag reduzieren.

Für die Massenproduktion erfordert die Lithium-Luft-Technologie die Lösung vieler technischer und wissenschaftlicher Probleme, darunter die Schaffung eines effizienten Katalysators, einer Lithiumanode und eines stabilen Festelektrolyten, der bei niedrigen Temperaturen (bis -50 °C) betrieben werden kann. Darüber hinaus ist es notwendig, eine Technik zum Aufbringen eines Katalysators auf die Kathodenoberfläche zu entwickeln, eine Membran zu schaffen, die das Eindringen von Sauerstoff in die Lithiumanode verhindert, sowie Verfahren zur Herstellung spezieller poröser Elektroden zu entwickeln.

Stellen Sie sich ein Mobiltelefon vor, das über eine Woche lang aufgeladen wird und dann in 15 Minuten aufgeladen wird. Fantastisch? Aber es könnte dank einer neuen Studie von Wissenschaftlern der Northwestern University (Evanston, Illinois, USA) Realität werden. Ein Team von Ingenieuren entwickelte eine Elektrode für Lithium-Ionen-Akkus (die heute in den meisten Mobiltelefonen verwendet werden), die deren Energiekapazität um das Zehnfache erhöht. Die angenehmen Überraschungen sind nicht darauf beschränkt - die neuen Akkugeräte sind in der Lage, 10-mal schneller aufzuladen als die aktuellen.

Um die Beschränkungen bestehender Technologien in Bezug auf Energiekapazität und Batterieladerate zu überwinden, haben Wissenschaftler zwei verschiedene Ansätze der chemischen Verfahrenstechnik angewandt. Die resultierende Batterie wird nicht nur die Betriebszeit kleiner elektronischer Geräte (wie Telefone und Laptops) verlängern, sondern auch den Weg für die Entwicklung effizienterer und kompakterer Batterien für Elektrofahrzeuge ebnen.

„Wir haben einen Weg gefunden, die Verweilzeit der neuen Lithium-Ionen-Batterie um den Faktor 10 zu verlängern“, sagt Professor Harold H. Kung, einer der Erstautoren der Studie. „Selbst nach 150 Lade-/Entladevorgängen, also mindestens einem Jahr Betriebszeit, bleibt sie fünfmal effizienter als die heute auf dem Markt befindlichen Lithium-Ionen-Akkus.“

Der Betrieb einer Lithium-Ionen-Batterie basiert auf einer chemischen Reaktion, bei der sich Lithium-Ionen zwischen einer Anode und einer Kathode bewegen, die sich an gegenüberliegenden Enden der Batterie befinden. Im Batteriebetrieb wandern Lithiumionen von der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode. Beim Laden wird ihre Richtung umgekehrt. Derzeit existierende Batterien haben zwei wichtige Einschränkungen. Ihre Energiekapazität – also die Zeit, die die Batterie eine Ladung halten kann – wird durch die Ladungsdichte begrenzt, bzw. wie viele Lithium-Ionen an der Anode oder Kathode untergebracht werden können. Gleichzeitig wird die Ladegeschwindigkeit einer solchen Batterie durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der Lithium-Ionen durch den Elektrolyten zur Anode gelangen können.

In aktuellen Akkus kann eine Anode aus vielen Graphenschichten nur ein Lithiumatom pro sechs Kohlenstoffatome (aus denen Graphen besteht) enthalten. Um die Energiekapazität von Batterien zu erhöhen, haben Wissenschaftler bereits damit experimentiert, Kohlenstoff durch Silizium zu ersetzen, das viel mehr Lithium aufnehmen kann: vier Lithiumatome für jedes Siliziumatom. Beim Laden dehnt sich Silizium jedoch stark aus und zieht sich stark zusammen, was zu einer Fragmentierung der Anodensubstanz und damit zu einem schnellen Verlust der Ladekapazität der Batterie führt.

Die geringe Ladegeschwindigkeit der Batterie erklärt sich derzeit durch die Form der Graphen-Schichten: Im Vergleich zur Dicke (die nur aus einem Atom besteht) fällt ihre Länge unerschwinglich aus. Während des Ladevorgangs muss das Lithium-Ion zu den Außenkanten der Graphenplatten wandern und dann zwischen ihnen hindurchgehen und irgendwo im Inneren anhalten. Da Lithium lange braucht, um die Mitte einer Graphenschicht zu erreichen, wird an den Rändern so etwas wie ein Ionenstau beobachtet.

Wie bereits erwähnt, hat Kuongs Forschungsteam diese beiden Probleme durch den Einsatz zweier unterschiedlicher Technologien gelöst. Um die Stabilität des Siliziums zu gewährleisten und damit die maximale Ladekapazität der Batterie aufrechtzuerhalten, platzierten sie zunächst Siliziumcluster zwischen Graphenplatten. Dadurch war es möglich, die Anzahl der Lithiumionen in der Elektrode zu erhöhen und gleichzeitig die Flexibilität von Graphenfolien zu nutzen, um Änderungen des Siliziumvolumens während des Ladens / Entladens der Batterie zu berücksichtigen.

„Jetzt schlagen wir beide Fliegen mit einer Klappe“, sagt Kung. „Dank Silizium erreichen wir eine höhere Energiedichte und Layer Interleaving reduziert die Verlustleistung, die durch die Ausdehnung und Kontraktion von Silizium entsteht. Selbst mit der Zerstörung von Silizium-Clustern wird Silizium selbst nirgendwo anders hinkommen.“

Darüber hinaus nutzten die Forscher den Prozess der chemischen Oxidation, um winzige (10-20 Nanometer) Löcher in Graphenschichten („In-Plane-Defekte“) zu erzeugen, die Lithiumionen einen „schnellen Zugang“ zum Inneren der Anode ermöglichen, und dann Lagerung darin durch Reaktion mit Silizium. Dadurch verkürzt sich die Ladezeit der Batterie um den Faktor 10.

Bisher konzentrierten sich alle Bemühungen zur Optimierung der Batterieleistung auf eine ihrer Komponenten – die Anode. In der nächsten Forschungsstufe wollen die Wissenschaftler zu diesem Zweck Veränderungen an der Kathode untersuchen. Außerdem wollen sie das Elektrolytsystem so modifizieren, dass sich die Batterie bei hohen Temperaturen automatisch (und reversibel) abschalten kann – ein ähnlicher Schutzmechanismus könnte sich beim Einsatz von Batterien in Elektrofahrzeugen als nützlich erweisen.

Nach Angaben der Entwickler soll die neue Technologie in ihrer jetzigen Form innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre auf den Markt kommen. In der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ ist ein Artikel über die Ergebnisse der Forschung und Entwicklung neuer Akkumulatoren erschienen.

Jedes Jahr steigt die Zahl der Geräte weltweit, die mit Akkus betrieben werden, stetig an. Es ist kein Geheimnis, dass Batterien das schwächste Glied in modernen Geräten sind. Sie müssen regelmäßig aufgeladen werden, sie haben nicht so viel Kapazität. Vorhandene Akkus ermöglichen kaum einen tagelangen autonomen Betrieb eines Tablets oder mobilen Computers.

Hersteller von Elektrofahrzeugen, Tablets und Smartphones suchen daher heute nach Möglichkeiten, signifikante Energiemengen in kompakteren Volumen der Batterie selbst zu speichern. Trotz der unterschiedlichen Anforderungen an Batterien für Elektrofahrzeuge und mobile Geräte lassen sich leicht Parallelen zwischen beiden ziehen. Insbesondere das berühmte Elektroauto Tesla Roadster wird von einem speziell für Laptops entwickelten Lithium-Ionen-Akku angetrieben. Um einen Sportwagen mit Strom zu versorgen, mussten die Ingenieure zwar mehr als sechstausend dieser Batterien gleichzeitig verwenden.

Ob Elektrofahrzeug oder mobiles Endgerät, die universellen Anforderungen an die Batterie der Zukunft sind klar – sie muss kleiner, leichter und deutlich mehr Energie speichern. Welche vielversprechenden Entwicklungen in diesem Bereich können diesen Anforderungen gerecht werden?

Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien

Kamera-Lithium-Ionen-Akku

Heute werden Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus am häufigsten in mobilen Geräten verwendet. Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) werden seit Anfang der 90er Jahre hergestellt. Ihr Hauptvorteil ist eine ziemlich hohe Energiedichte, dh die Fähigkeit, eine bestimmte Energiemenge pro Masseneinheit zu speichern. Außerdem fehlt solchen Batterien der berüchtigte "Memory-Effekt" und sie haben eine relativ geringe Selbstentladung.

Die Verwendung von Lithium ist durchaus gerechtfertigt, da dieses Element ein hohes elektrochemisches Potenzial hat. Der Nachteil aller Lithium-Ionen-Akkus, von denen es eigentlich eine Vielzahl von Typen gibt, ist die recht schnelle Alterung des Akkus, also ein starker Leistungsabfall bei Lagerung oder Langzeiteinsatz des Akkus. Zudem scheint das Kapazitätspotenzial moderner Lithium-Ionen-Batterien nahezu ausgeschöpft.

Weiterentwicklungen in der Lithium-Ionen-Technologie sind Lithium-Polymer-Netzteile (Li-Pol). Sie verwenden ein festes Material anstelle eines flüssigen Elektrolyten. Im Vergleich zum Vorgänger haben Lithium-Polymer-Akkus eine höhere Energiedichte. Außerdem war es nun möglich, Batterien in nahezu beliebiger Form herzustellen (Lithium-Ionen-Technologie benötigte nur ein zylindrisches oder rechteckiges Gehäuse). Solche Batterien sind klein, wodurch sie erfolgreich in verschiedenen mobilen Geräten verwendet werden können.

Das Aufkommen von Lithium-Polymer-Batterien änderte die Situation jedoch nicht grundlegend, insbesondere weil solche Batterien keine großen Entladeströme liefern können und ihre spezifische Kapazität noch nicht ausreicht, um die Menschheit vor dem ständigen Aufladen mobiler Geräte zu bewahren. Außerdem sind Lithium-Polymer-Akkus im Betrieb ziemlich "launisch", sie haben eine unzureichende Festigkeit und neigen dazu, Feuer zu fangen.

Fortgeschrittene Technologien

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler und Forscher in verschiedenen Ländern aktiv daran gearbeitet, fortschrittlichere Batterietechnologien zu entwickeln, die in naher Zukunft bestehende ersetzen können. In dieser Hinsicht lassen sich einige der vielversprechendsten Bereiche identifizieren:

- Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S)

Die Lithium-Schwefel-Batterie ist eine vielversprechende Technologie, die Energiekapazität einer solchen Batterie ist doppelt so hoch wie die von Lithium-Ionen-Batterien. Theoretisch könnte es aber noch höher sein. Bei einer solchen Stromquelle wird eine schwefelhaltige Flüssigkathode verwendet, die durch eine spezielle Membran vom Elektrolyten getrennt ist. Durch das Zusammenwirken der Lithiumanode und der schwefelhaltigen Kathode wurde die spezifische Kapazität deutlich erhöht. Das erste Muster einer solchen Batterie erschien bereits 2004. Seitdem wurden einige Fortschritte erzielt, dank derer die verbesserte Lithium-Schwefel-Batterie eineinhalbtausend volle Lade-Entlade-Zyklen ohne gravierende Kapazitätsverluste übersteht.

Zu den Vorteilen dieser Batterie gehören auch die Einsatzfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich, der Verzicht auf verstärkte Schutzkomponenten und die relativ geringen Kosten. Eine interessante Tatsache - dank der Verwendung einer solchen Batterie wurde 2008 der Rekord für die Flugdauer eines mit Solarbatterien betriebenen Flugzeugs aufgestellt. Doch für die Massenproduktion einer Lithium-Schwefel-Batterie müssen Wissenschaftler noch zwei Hauptprobleme lösen. Es ist erforderlich, einen wirksamen Weg zur Nutzung von Schwefel zu finden sowie den stabilen Betrieb der Stromquelle unter wechselnden Temperatur- oder Feuchtigkeitsbedingungen sicherzustellen.

- Magnesium-Schwefel-Batterien (Mg/S)

Batterien, die auf einer Kombination von Magnesium und Schwefel basieren, können auch herkömmliche Lithiumbatterien umgehen. Es stimmt, bis vor kurzem konnte niemand die Interaktion dieser Elemente in einer Zelle sicherstellen. Der Magnesium-Schwefel-Akku selbst sieht sehr interessant aus, denn seine Energiedichte kann bis zu mehr als 4000 Wh/l betragen. Vor nicht allzu langer Zeit konnte dank amerikanischer Forscher anscheinend das Hauptproblem bei der Entwicklung von Magnesium-Schwefel-Batterien gelöst werden. Tatsache ist, dass es für das Paar Magnesium und Schwefel keinen geeigneten Elektrolyten gab, der mit diesen chemischen Elementen kompatibel ist.

Einen solchen akzeptablen Elektrolyten konnten die Wissenschaftler jedoch durch die Bildung spezieller kristalliner Partikel herstellen, die für die Stabilisierung des Elektrolyten sorgen. Eine Probe einer Magnesium-Schwefel-Batterie umfasst eine Magnesiumanode, einen Separator, eine Schwefelkathode und einen neuen Elektrolyten. Dies ist jedoch nur der erste Schritt. Ein vielversprechendes Muster ist leider noch nicht haltbar.

- Fluorid-Ionen-Akkus

Eine weitere interessante Stromquelle, die in den letzten Jahren aufgetaucht ist. Hier sind Fluoranionen für den Ladungstransfer zwischen den Elektroden verantwortlich. In diesem Fall enthalten Anode und Kathode Metalle, die (je nach Stromrichtung) in Fluoride umgewandelt oder zurückreduziert werden. Dies stellt eine beträchtliche Batteriekapazität bereit. Wissenschaftler behaupten, dass solche Stromquellen eine Energiedichte haben, die zehnmal größer ist als die Kapazitäten von Lithium-Ionen-Batterien. Neben ihrer erheblichen Kapazität zeichnen sich die neuen Batterien auch durch eine deutlich geringere Brandgefahr aus.

Viele Optionen wurden für die Rolle der Basis eines Festelektrolyten ausprobiert, aber die Wahl fiel letztendlich auf Bariumlanthan. Die Fluorid-Ionen-Technologie scheint zwar eine sehr vielversprechende Lösung zu sein, ist jedoch nicht ohne Nachteile. Schließlich kann ein Festelektrolyt nur bei hohen Temperaturen stabil funktionieren. Daher stehen die Forscher vor der Aufgabe, einen flüssigen Elektrolyten zu finden, der bei normaler Raumtemperatur erfolgreich arbeiten kann.

- Lithium-Luft-Batterien (Li-O2)

Heutzutage strebt die Menschheit nach der Nutzung „sauberer“ Energiequellen, die mit der Energiegewinnung aus Sonne, Wind oder Wasser verbunden sind. In dieser Hinsicht scheinen Lithium-Luft-Batterien sehr interessant zu sein. Zunächst einmal werden sie von vielen Experten als die Zukunft von Elektrofahrzeugen angesehen, aber im Laufe der Zeit können sie in mobilen Geräten Anwendung finden. Diese Netzteile haben sehr hohe Kapazitäten und sind relativ klein. Das Prinzip ihrer Arbeit ist wie folgt: Anstelle von Metalloxiden wird in der positiven Elektrode Kohlenstoff verwendet, der mit Luft eine chemische Reaktion eingeht, wodurch ein Strom entsteht. Das heißt, Sauerstoff wird teilweise zur Energieerzeugung verwendet.

Die Verwendung von Sauerstoff als Aktivmaterial der Kathode hat seine wesentlichen Vorteile, denn es ist ein nahezu unerschöpfliches Element und vor allem wird es der Umwelt absolut kostenlos entnommen. Es wird angenommen, dass die Energiedichte von Lithium-Luft-Batterien beeindruckende 10.000 Wh/kg erreichen kann. Vielleicht können solche Batterien in naher Zukunft Elektrofahrzeuge mit benzinbetriebenen Autos gleichsetzen. Für mobile Geräte freigegebene Batterien dieses Typs sind übrigens bereits unter dem Namen PolyPlus im Handel zu finden.

- Lithium-Nanophosphat-Batterien

Lithium-Nanophosphat-Netzteile sind die nächste Generation von Lithium-Ionen-Akkus mit hoher Stromeffizienz und ultraschnellem Laden. Es dauert nur fünfzehn Minuten, um einen solchen Akku vollständig aufzuladen. Zudem ermöglichen sie zehnmal höhere Ladezyklen im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen. Diese Eigenschaften wurden durch die Verwendung spezieller Nanopartikel erreicht, die einen intensiveren Ionenfluss ermöglichen.

Zu den Vorteilen von Lithium-Nanophosphat-Batterien zählen außerdem die geringe Selbstentladung, kein „Memory-Effekt“ und die Fähigkeit, in einem weiten Temperaturbereich zu arbeiten. Lithium-Nanophosphat-Batterien sind bereits kommerziell erhältlich und werden für einige Gerätetypen verwendet, ihre Verbreitung wird jedoch durch die Notwendigkeit eines speziellen Ladegeräts und ein höheres Gewicht im Vergleich zu modernen Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien behindert.

Tatsächlich gibt es viele weitere vielversprechende Technologien im Bereich der Herstellung von wiederaufladbaren Batterien. Wissenschaftler und Forscher arbeiten nicht nur daran, grundlegend neue Lösungen zu schaffen, sondern auch die Leistung bestehender Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Zum Beispiel durch den Einsatz von Silizium-Nanodrähten oder die Entwicklung einer neuen Elektrode mit der einzigartigen Fähigkeit zur „Selbstheilung“. Auf jeden Fall ist der Tag nicht mehr weit, an dem unsere Telefone und andere mobile Geräte wochenlang mit einer einzigen Ladung leben.