Es hat eine moderne Batterie mit einem einzigartigen. Die nahe Zukunft der wiederaufladbaren Batterien

Elektroautos müssen viele Umweltprobleme lösen. Wenn sie mit Strom aus erneuerbaren Quellen geladen werden, sind sie praktisch ungefährlich für die Atmosphäre. Natürlich, wenn man ihre technologisch aufwendige Herstellung nicht berücksichtigt. Und ohne das übliche Motorenbrummen auf Elektroantrieb zu fahren, ist einfach angenehmer. Der ständige Ärger bleibt aufgrund des Ladezustands der Batterie immer noch ein Ärger. Denn wenn es auf null sinkt und keine einzige Ladestation in der Nähe ist, dann haben Sie keine Probleme.

Es gibt sechs entscheidende Faktoren für den Erfolg von Elektroautos, die mit Akkus betrieben werden. Zuallererst sprechen wir über die Kapazität – das heißt, wie viel Strom die Batterie speichern kann, die zyklische Nutzung der Batterie – das heißt die „Lade-Entladung“, die die Batterie aushalten kann, bevor sie ausfällt, und das Wiederaufladen Zeit - das heißt, wie lange der Fahrer warten muss, um das Auto aufzuladen, um weiterzufahren.

Ebenso wichtig ist die Zuverlässigkeit der Batterie selbst. Sagen wir, ob er eine Reise ins Hochland oder eine Reise im heißen Sommer vertragen kann. Natürlich sollte man bei der Kaufentscheidung für ein Elektroauto auch Faktoren wie die Anzahl der Ladestationen und den Preis der Batterien berücksichtigen.

Wie weit kann man mit Batterien gehen?

Elektro-Pkw auf dem Markt legen heute mit einer einzigen Ladung Distanzen von 150 bis über 200 Kilometer zurück. Prinzipiell lassen sich diese Distanzen durch eine Verdoppelung oder Verdreifachung der Batterieanzahl erhöhen. Aber erstens wäre es jetzt so teuer, dass der Kauf eines Elektroautos unerträglich wäre, und zweitens würden die Elektroautos selbst viel schwerer, sodass sie auf Schwerlast ausgelegt werden müssten. Und das widerspricht den Zielen der Hersteller von Elektroautos, nämlich der einfachen Konstruktion.

Daimler hat beispielsweise kürzlich einen Elektro-Lkw vorgestellt, der mit einer einzigen Ladung bis zu 200 Kilometer weit fahren kann. Allerdings wiegt der Akku selbst mindestens zwei Tonnen. Aber der Motor ist viel leichter als bei einem Diesel-Lkw.

Welche Batterien dominieren den Markt?

Moderne Batterien, seien es Handys, Laptops oder Elektroautos, sind fast ausschließlich Varianten der sogenannten Lithium-Ionen-Batterien. Wir sprechen von einer Vielzahl von Batterietypen, bei denen das Alkalimetall Lithium sowohl in positiven als auch negativen Elektroden und in einer Flüssigkeit - dem sogenannten Elektrolyten - vorkommt. Typischerweise besteht die negative Elektrode aus Graphit. Je nachdem, welche anderen Materialien in der positiven Elektrode verwendet werden, gibt es beispielsweise Lithium-Kobalt- (LiCoO2), Lithium-Titan- (Li4Ti5O12) und Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO4).

Eine besondere Rolle spielen Lithium-Polymer-Akkus. Als Elektrolyt dient hier ein gelartiger Kunststoff. Diese Batterien sind heute die leistungsstärksten auf dem Markt und erreichen eine Energiekapazität von bis zu 260 Wattstunden pro Kilogramm. Der Rest der Lithium-Ionen-Akkus schafft maximal 140 bis 210 Wattstunden pro Kilogramm.

Und wenn Sie die Batterietypen vergleichen?

Lithium-Ionen-Batterien sind vor allem aufgrund des hohen Marktwertes von Lithium sehr teuer. Es gibt jedoch viele Vorteile gegenüber den bisherigen Batterietypen aus Blei und Nickel.

Außerdem werden Lithium-Ionen-Akkus relativ schnell aufgeladen. So lässt sich das Elektroauto mit normalem Strom aus dem Netz in zwei bis drei Stunden wieder aufladen. Und an speziellen Schnellladestationen kann es eine Stunde dauern.

Ältere Batterietypen haben diese Vorteile nicht und können viel weniger Energie speichern. Batterien auf Nickelbasis haben eine Energiekapazität von 40 bis 60 Wattstunden pro Kilogramm. Noch schlechter sind die Eigenschaften bei Blei-Säure-Batterien – die Energiekapazität beträgt etwa 30 Wattstunden pro Kilogramm. Sie sind jedoch deutlich günstiger und halten problemlos viele Jahre im Betrieb aus.

Wie lange halten moderne Batterien?

Viele erinnern sich an den sogenannten Memory-Effekt des Akkus bei alten Batterien. Es manifestierte sich vor allem in Nickelbatterien. Wenn dann jemand daran dachte, den Akku eines Schraubendrehers oder Laptops aufzuladen, obwohl der Akku fast zur Hälfte geladen war, war die Fähigkeit, elektrische Energie zu speichern, überraschend reduziert. Daher musste vor jedem Ladevorgang die Energie vollständig verbraucht werden. Für Elektrofahrzeuge wäre das eine Katastrophe, denn sie müssen genau dann wieder aufgeladen werden, wenn sie sich in geeigneter Entfernung von der Ladestation befinden und nicht, wenn die Batterie leer ist.

Aber Lithium-Ionen-Akkus haben diesen „Memory-Effekt“ nicht. Hersteller versprechen bis zu 10.000 Lade-Entlade-Zyklen und 20 Jahre störungsfreien Betrieb. Gleichzeitig zeugen Verbrauchererfahrungen oft von etwas anderem - Laptop-Akkus "sterben" nach mehreren Betriebsjahren. Außerdem können externe Faktoren, wie extreme Temperaturen oder ein versehentliches Entladen oder Überladen, Akkus dauerhaft beschädigen. Ganz wichtig bei modernen Akkus ist der unterbrechungsfreie Betrieb der Elektronik, die den Nachspeiseprozess steuert.

Sind Superakkumulatoren nur eine leere Phrase?

Experten des Forschungszentrums Jülich arbeiten an der Entwicklung von Silizium-Luft-Batterien. Die Idee der Luftspeicher ist gar nicht so neu. So versuchten sie früher, Lithium-Luft-Batterien zu entwickeln, bei denen die positive Elektrode aus einem nanokristallinen Kohlenstoffgitter bestehen sollte. In diesem Fall nimmt die Elektrode selbst nicht am elektrochemischen Prozess teil, sondern wirkt nur als Leiter, an dessen Oberfläche Sauerstoff reduziert wird.

Silizium-Luft-Batterien funktionieren auf die gleiche Weise. Sie haben jedoch den Vorteil, dass sie aus sehr billigem Silizium bestehen, das in Form von Sand in nahezu unbegrenzter Menge in der Natur vorkommt. Darüber hinaus wird Silizium aktiv in der Halbleitertechnologie verwendet.

Neben den potenziell geringen Herstellungskosten sind auf den ersten Blick auch die technischen Eigenschaften der Luftspeicher durchaus attraktiv. Immerhin können sie eine solche Energiekapazität erreichen, die die heutigen Indikatoren dreimal oder sogar zehnmal übertrifft.

Diese Entwicklungen sind jedoch noch weit davon entfernt, in den Markt einzutreten. Das größte Problem ist die unbefriedigend kurze "Lebensdauer" von Luftbatterien. Sie liegt deutlich unter 1000 Lade-Entlade-Zyklen. Das Experiment der Jülicher Forscher macht Hoffnung. Sie fanden heraus, dass sich die Lebensdauer solcher Batterien deutlich erhöhen lässt, wenn der Elektrolyt in diesen Batterien regelmäßig nachgefüllt wird. Aber auch mit solchen technischen Lösungen erreichen diese Batterien keinen Bruchteil der Lebensdauer heutiger Lithium-Ionen-Batterien.

Und heute sprechen wir über die imaginären – mit gigantischer spezifischer Kapazität und sofortigem Aufladen. Nachrichten über solche Entwicklungen erscheinen mit beneidenswerter Regelmäßigkeit, aber die Zukunft ist noch nicht angekommen, und wir verwenden immer noch die Lithium-Ionen-Batterien, die zu Beginn des vorletzten Jahrzehnts erschienen sind, oder ihre etwas fortschrittlicheren Lithium-Polymer-Analoga. Was ist also los, technologische Schwierigkeiten, Fehlinterpretationen der Worte von Wissenschaftlern oder etwas anderes? Versuchen wir es herauszufinden.

Jagd auf Ladegeschwindigkeit

Einer der Batterieparameter, den Wissenschaftler und große Unternehmen ständig verbessern wollen, ist die Ladegeschwindigkeit. Eine unendliche Steigerung wird es aber auch aufgrund der chemischen Gesetzmäßigkeiten der in Batterien ablaufenden Reaktionen nicht möglich sein (zumal die Entwickler von Aluminium-Ionen-Batterien bereits erklärt haben, dass dieser Batterietyp in nur wenigen Minuten vollständig aufgeladen werden kann). zweitens), aber wegen körperlicher Einschränkungen. Angenommen, wir haben ein Smartphone mit einem 3000-mAh-Akku und Unterstützung für schnelles Laden. Sie können ein solches Gerät innerhalb einer Stunde mit einem durchschnittlichen Strom von 3 A vollständig aufladen (im Durchschnitt, da sich die Spannung während des Ladevorgangs ändert). Wenn wir jedoch in nur einer Minute eine volle Ladung haben wollen, benötigen wir ohne Berücksichtigung verschiedener Verluste eine Stromstärke von 180 A. Um das Gerät mit einem solchen Strom aufzuladen, benötigen Sie ein Kabel mit einem Durchmesser von etwa 9 mm - doppelt so dick wie das Smartphone selbst. Ja, und einen Strom von 180 A bei einer Spannung von etwa 5 V kann ein herkömmliches Ladegerät nicht ausgeben: Besitzer von Smartphones benötigen einen Pulsstromwandler wie auf dem Foto unten.

Eine Alternative zur Erhöhung der Stromstärke besteht darin, die Spannung zu erhöhen. Sie ist aber in der Regel fest und beträgt bei Lithium-Ionen-Akkus 3,7 V. Natürlich kann sie überschritten werden - das Laden mit der Quick Charge 3.0-Technologie geht mit einer Spannung von bis zu 20 V, aber ein Ladeversuch Die Batterie mit einer Spannung von etwa 220 V ist unbrauchbar wird nicht zum Guten führen, und es ist nicht möglich, dieses Problem in naher Zukunft zu lösen. Moderne Batterien können diese Spannung einfach nicht nutzen.

Ewige Akkumulatoren

Natürlich sprechen wir jetzt nicht von einem „Perpetuum Mobile“, sondern von Akkus mit langer Lebensdauer. Moderne Lithium-Ionen-Akkus für Smartphones halten maximal ein paar Jahre aktiver Nutzung von Geräten aus, danach nimmt ihre Kapazität stetig ab. Besitzer von Smartphones mit austauschbaren Akkus haben etwas mehr Glück als andere, aber in diesem Fall lohnt es sich, darauf zu achten, dass der Akku vor kurzem produziert wurde: Lithium-Ionen-Akkus verschlechtern sich auch bei Nichtgebrauch.

Wissenschaftler der Stanford University schlugen eine Lösung für dieses Problem vor: die Elektroden bestehender Lithium-Ionen-Batterien mit einem Polymermaterial unter Zusatz von Graphit-Nanopartikeln zu bedecken. Dadurch sollen nach der Idee der Wissenschaftler die Elektroden geschützt werden, die im Betrieb unweigerlich mit Mikrorissen übersät sind und die gleichen Mikrorisse im Polymermaterial von selbst heilen. Das Prinzip dieses Materials ähnelt der Technologie des LG G Flex Smartphones mit selbstheilender Rückseite.

Übergang in die dritte Dimension

Im Jahr 2013 wurde berichtet, dass Forscher der University of Illinois einen neuen Typ von Lithium-Ionen-Batterie entwickeln. Wissenschaftler gaben an, dass die spezifische Leistung solcher Batterien bis zu 1000 mW / (cm * mm) betragen wird, während die spezifische Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien zwischen 10-100 mW / (cm * mm) liegt. Wir haben genau solche Maßeinheiten verwendet, da es sich um relativ kleine Strukturen mit einer Dicke von mehreren zehn Nanometern handelt.

Anstelle einer flachen Anode und Kathode, die in herkömmlichen Li-Ionen-Batterien verwendet werden, schlugen die Wissenschaftler vor, dreidimensionale Strukturen zu verwenden: ein Kristallgitter aus Nickelsulfid auf porösem Nickel als Anode und Lithium-Mangandioxid auf porösem Nickel als Kathode.

Trotz aller Zweifel, die durch das Fehlen der genauen Parameter der neuen Batterien in den ersten Pressemitteilungen sowie der noch nicht vorgestellten Prototypen entstanden sind, ist der neue Batterietyp noch real. Dies wird durch mehrere wissenschaftliche Artikel zu diesem Thema bestätigt, die in den letzten zwei Jahren veröffentlicht wurden. Sollten solche Batterien jedoch dem Endverbraucher zur Verfügung stehen, wird dies sehr lange her sein.

Aufladen über den Bildschirm

Wissenschaftler und Ingenieure versuchen, die Lebensdauer unserer Geräte nicht nur durch die Suche nach neuen Batterietypen oder die Steigerung der Energieeffizienz, sondern auch auf ungewöhnliche Weise zu verlängern. Forscher der Michigan State University haben vorgeschlagen, transparente Sonnenkollektoren direkt in einen Bildschirm einzubetten. Da das Funktionsprinzip solcher Paneele auf der Absorption der Sonnenstrahlung durch sie beruht, mussten die Wissenschaftler, um sie transparent zu machen, zum Trick gehen: Das Material der Paneele eines neuen Typs absorbiert nur unsichtbare Strahlung (Infrarot und ultraviolett), wonach Photonen, die von den breiten Kanten des Glases reflektiert werden, von schmalen Streifen-Solarzellen des traditionellen Typs absorbiert werden, die sich entlang der Kanten befinden.

Das Haupthindernis für die Einführung einer solchen Technologie ist der geringe Wirkungsgrad solcher Module - nur 1% gegenüber 25% der herkömmlichen Solarmodule. Nun suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, die Effizienz um mindestens 5 % zu steigern, doch eine schnelle Lösung dieses Problems ist kaum zu erwarten. Eine ähnliche Technologie wurde übrigens kürzlich von Apple patentiert, allerdings ist noch nicht bekannt, wo genau der Hersteller Solarpanels in seinen Geräten platzieren wird.

Zuvor meinten wir unter den Wörtern "Batterie" und "Akku" eine wiederaufladbare Batterie, aber einige Forscher glauben, dass Einweg-Spannungsquellen in Geräten verwendet werden können. Als Batterien, die mehrere Jahre (oder sogar mehrere Jahrzehnte) ohne Aufladen oder andere Wartung funktionieren könnten, schlugen Wissenschaftler der University of Missouri die Verwendung von RTGs – thermoelektrischen Radioisotop-Generatoren – vor. Das Funktionsprinzip des RTG basiert auf der Umwandlung der beim Radiozerfall freigesetzten Wärme in Strom. Viele solcher Installationen sind für ihren Einsatz im Weltraum und an schwer zugänglichen Orten auf der Erde bekannt, aber in den Vereinigten Staaten wurden auch Miniatur-Radioisotopenbatterien in Herzschrittmachern verwendet.

Seit 2009 wird an einem verbesserten Typ solcher Batterien gearbeitet und sogar Prototypen solcher Batterien gezeigt. Radioisotopenbatterien werden wir aber in naher Zukunft nicht in Smartphones sehen können: Sie sind teuer in der Herstellung, zudem gibt es in vielen Ländern strenge Beschränkungen bei der Herstellung und Verbreitung radioaktiver Stoffe.

Wasserstoffzellen können auch als Einwegbatterien verwendet werden, jedoch nicht in Smartphones. Wasserstoffbatterien sind ziemlich schnell verbraucht: Obwohl Ihr Gerät mit einer Patrone länger hält als mit einer einzigen Ladung einer normalen Batterie, müssen sie regelmäßig ausgetauscht werden. Dies verhindert jedoch nicht den Einsatz von Wasserstoffbatterien in Elektrofahrzeugen und sogar externen Batterien: Bisher sind dies keine Massengeräte, sondern keine Prototypen mehr. Und Apple entwickelt Gerüchten zufolge bereits ein System, um Kartuschen mit Wasserstoff nachzufüllen, ohne sie für den Einsatz in zukünftigen iPhones zu ersetzen.

Die Idee, dass auf Basis von Graphen eine Batterie mit hoher spezifischer Kapazität hergestellt werden kann, wurde bereits 2012 vorgebracht. Und so wurde Anfang dieses Jahres in Spanien der Bau einer Anlage zur Herstellung von Graphen-Polymer-Batterien für Elektrofahrzeuge durch Graphenano angekündigt. Der neue Batterietyp ist fast viermal günstiger in der Herstellung als herkömmliche Lithium-Polymer-Akkus, hat eine spezifische Kapazität von 600 Wh/kg und soll in nur 8 Minuten geladen werden können. Dies erfordert zwar, wie wir eingangs sagten, eine Leistung von etwa 1 MW, daher ist ein solcher Indikator nur theoretisch erreichbar. Wann genau das Werk mit der Produktion der ersten Graphen-Polymer-Batterien beginnen wird, ist nicht bekannt, aber durchaus möglich, dass Volkswagen zu den Abnehmern seiner Produkte gehört. Der Konzern hat bereits angekündigt, bis 2018 Elektrofahrzeuge mit einer Reichweite von bis zu 700 Kilometern aus einer einzigen Batterieladung zu produzieren.

Was mobile Geräte betrifft, so wird die Verwendung von Graphen-Polymer-Batterien in diesen bisher durch die großen Abmessungen solcher Batterien behindert. Hoffen wir, dass die Forschung in diesem Bereich fortgesetzt wird, denn Graphen-Polymer-Batterien sind eine der vielversprechendsten Batterietypen, die in den kommenden Jahren auf den Markt kommen könnten.

Warum also sehen wir bei allem Optimismus der Wissenschaftler und den regelmäßig erscheinenden Nachrichten über Durchbrüche im Bereich der Energieeinsparung jetzt eine Stagnation? Es geht zunächst einmal um unsere hohen Erwartungen, die nur von Journalisten geschürt werden. Wir wollen glauben, dass eine Revolution in der Welt der Akkus bevorsteht, und wir werden einen Akku bekommen, der in weniger als einer Minute geladen ist und eine fast unbegrenzte Lebensdauer hat, aus dem ein modernes Smartphone mit einem Achtkern-Prozessor wird mindestens eine Woche arbeiten. Aber solche Durchbrüche passieren leider nicht. Der Einführung jeder neuen Technologie in die Massenproduktion gehen viele Jahre wissenschaftlicher Forschung, Musterprüfungen, Entwicklung neuer Materialien und technologischer Verfahren sowie andere zeitaufwendige Arbeiten voraus. Immerhin dauerte es etwa fünf Jahre, bis dieselben Lithium-Ionen-Batterien von technischen Prototypen zu fertigen Geräten für den Einsatz in Telefonen gelangt waren.

Daher müssen wir uns einfach gedulden und uns die Neuigkeiten über neue Lebensmittelelemente nicht zu Herzen nehmen. Zumindest bis es die Nachricht von ihrem Start in die Massenproduktion gibt, wenn kein Zweifel mehr an der Machbarkeit der neuen Technologie besteht.

Forscher der University of Texas in Austin unter der Leitung von Professor John Goodenough, 94, haben eine neue Art von Festkörperbatterie entwickelt. Interessanterweise ist John Goodenough einer der Schöpfer moderner Lithium-Ionen-Batterien. 1983 schlugen er und seine Kollegen vor, Lithium-Kobaltit als Kathode in Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden. Die neue Technologie bietet eine All-Solid-State-Batterie mit verbesserter Sicherheit, Haltbarkeit und schnelleren Ladegeschwindigkeiten als herkömmliche Batterien.

„Kosten, Sicherheit, Energiedichte, Lade- und Entladeraten sowie Langlebigkeit sind kritische Kennzahlen für Batterien in Elektrofahrzeugen, die sich auf ihre Popularität auswirken könnten. Wir glauben, dass unsere Entdeckung viele der Probleme moderner Batterien löst “, sagte John Goodenough.

Die neuen Batterien haben mindestens die dreifache Energiedichte moderner Lithium-Ionen-Batterien. Für Elektrofahrzeuge bedeutet dies, dass sie mit einer einzigen Ladung eine größere Entfernung zurücklegen können und Smartphones mit einer hohen Autonomie aufwarten können. Neben der erhöhten Energiedichte behalten die neuen Akkus ihre Kapazität auch über eine größere Anzahl von Ladezyklen (bis zu 1.200 Zyklen) und ihre Ladezeit wird nicht in Stunden, sondern in Minuten berechnet.

Moderne Lithium-Ionen-Batterien verwenden flüssige Elektrolyte, um Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode zu bewegen. Bei zu schneller Ladung kann es zu einem Kurzschluss kommen, der oft von einer Explosion begleitet wird. Forscher der University of Texas verwendeten anstelle von flüssigen Elektrolyten Glaselektrolyte – sie ermöglichen die Verwendung einer Alkalimetallanode (Lithium, Natrium oder Kalium) ohne die Wahrscheinlichkeit einer Dendritenbildung.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Glaselektrolyten anstelle von Flüssigelektrolyten besteht darin, dass sie problemlos bei Minustemperaturen arbeiten können. Darüber hinaus können alle Elemente einer solchen Batterie aus umweltfreundlichen Materialien hergestellt werden.

Von einer kommerziellen Nutzung dieser Entwicklung ist leider wie bei anderen zukunftsträchtigen Technologien zur Herstellung von Batterien nicht die Rede.

Der Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie hat einen neuen Batterietyp vorgestellt
Der Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie hat einen neuen Batterietyp vorgestellt

Forscher der University of Texas in Austin haben Festkörperbatterien entwickelt, die eine effizientere und absolut sichere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien sein sollen. Die Entwicklung wird von dem 94-jährigen Erfinder John Goodenough geleitet, der vor fast drei Jahrzehnten die Lithium-Ionen-Batterie mitbegründet hat.

Wie die Experimentatoren herausfanden, hat der neuartige Akku eine dreimal höhere Energiekapazität, lädt schneller, hält Temperaturen bis -60 °C stand, explodiert nicht durch Überhitzung oder Beschädigung der Hülle und belastet bei der Entsorgung nicht die Umwelt . Als Stromspeichermaterial verwendet eine solche Batterie nicht das seltene und teure Lithium, sondern billiges Natrium, das wie Salz aus Meerwasser gewonnen werden kann.

Lithium-Ionen-Batterien sind in fast allen Arten von elektronischen Geräten weit verbreitet. Das Funktionsprinzip basiert auf der Bewegung von Ionen eines flüssigen Elektrolyten zwischen Anode und Kathode. Wird der Akku zu schnell geladen, können sich im Akku Lithiumsprossen bilden, die zu einem Kapazitätsverlust, einem Kurzschluss und sogar einer Explosion des Akkus führen können. Glas dient als Elektrolyt in der neuen Goodenough-Batterie, wodurch Alkalimetalle (wie Natrium oder Kalium) als Anode verwendet werden können, die keine Prozesse bilden. Die Brandgefahr für eine solche Batterie ist nahe Null.

„Kosten, Sicherheit, Energiedichte, Ladegeschwindigkeit und Batterielebensdauer sind kritische Kennzahlen für die weitere Einführung von Elektrofahrzeugen. Wir glauben, dass unsere Technologie dazu beitragen wird, viele der Probleme zu lösen, denen moderne Batterien ausgesetzt sind“, kommentierte John Goodenough seine Erfindung.

Goodenough ist nicht der Erste, der beschließt, einen flüssigen Elektrolyten durch einen Festkörper zu ersetzen. Vor ihm waren Forscher des Massachusetts Institute of Technology mit ähnlichen Experimenten beschäftigt. Sie verwendeten Sulfide, stellten jedoch fest, dass dieses Material zu zerbrechlich ist, sodass darauf basierende Batterien nicht in tragbaren Technologien und Elektrofahrzeugen verwendet werden können.

Lithium-Ionen-Batterien werden seit Anfang der 90er Jahre in der Elektronik eingesetzt und haben alle anderen Batterietypen nahezu verdrängt. Seit 25 Jahren ist ein bedeutender Durchbruch in dieser Technologie nicht gelungen - die Energieeffizienz solcher Batterien wächst zwar, ist aber sehr langsam. Ihre Hauptprobleme sind die jederzeitige Explosionsgefahr ohne ersichtlichen Grund und ein allmählicher Verlust der Nennkapazität von Überladung bis zur vollständigen Erschöpfung.

Ein neuer Batterietyp vom Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie
Forscher der University of Texas in Austin haben Festkörperbatterien entwickelt, die eine effizientere und absolut sichere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien sein sollen.

Herkömmliche Batterien dieser Art sind mit einer Kohlenstoffkathode ausgestattet, in deren Poren Luftsauerstoff gespeichert ist, der die Rolle eines Aktivmaterials spielt. Während der Entladung wandern Lithiumkationen von der Lithiumanode durch den Elektrolyten und reagieren mit Sauerstoff, wobei (idealerweise) Lithiumperoxid Li 2 O 2 gebildet wird, das an der Kathode zurückgehalten wird, und Elektronen gehen von der Anode zur Kathode über den Lastkreis . Der Vorteil von Lithium-Luft-Proben gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen ist die höhere erreichbare Energiedichte.

Die Leistung von Lithium-Luft-Batterien wird von vielen Faktoren beeinflusst: relative Luftfeuchtigkeit, Sauerstoffpartialdruck, Elektrolytzusammensetzung, Katalysatorauswahl und Gesamtanordnung des Geräts. Es sollte auch berücksichtigt werden, dass die auf der Kohlenstoffelektrode abgeschiedenen Reaktionsprodukte (Li 2 O 2 ) die Sauerstoffdurchdringungswege blockieren und die Kapazität einschränken. Eine Luftelektrode mit optimaler Konfiguration muss daher sowohl Poren in Mikrogröße, die einen freien Sauerstoffdurchtritt ermöglichen, als auch Hohlräume in Nanogröße aufweisen, die eine ausreichende Dichte von Zentren für Li-O 2 -Reaktionen schaffen.

Schema einer funktionalisierten Graphenschicht mit funktionellen Gruppen an beiden Seiten und Kanten und Gitterdefekten, die energetisch günstige Plätze für den Abfang von Reaktionsprodukten (Li 2 O 2) werden. Defekte sind gelb und violett hervorgehoben, Kohlenstoffatome - grau, Sauerstoff - rot, Wasserstoff - weiß. Rechts ist die ideale poröse Struktur einer Luftelektrode dargestellt. (Im Folgenden Illustrationen aus dem Nano Letters Magazin.)

Funktionalisierte Graphenschichten, die durch Wärmebehandlung von Graphitoxid erhalten wurden, wurden verwendet, um neue Elektroden herzustellen. Das anfängliche C / O-Verhältnis des Oxids beträgt ungefähr zwei, aber das Halten bei 1050 ° C für nur 30 s ermöglicht eine Erhöhung auf

15 aufgrund der Freisetzung von CO 2. Nachdem das Kohlendioxid austritt, erhalten die Platten Gitterfehler, die zur Bildung isolierter nanoskaliger Li 2 O 2 -Partikel beitragen, die den Sauerstoffzugang während des Batteriebetriebs nicht blockieren.

Die vorbereiteten Blätter wurden in eine Mikroemulsionslösung gelegt, die Bindemittel enthielt. Nach dem Trocknen erhielt die Elektrode eine ungewöhnliche innere Struktur, in der lose gepackte eiförmige Elemente hervorstechen. Dazwischen wurden breite Durchgänge gelegt, und die "Hülle" der Elemente enthielt zahlreiche nanoskalige Poren. Mit anderen Worten, das Design der Elektrode war nahezu optimal.

Graphenelektroden: oben - gerade hergestellt, unten - nach der Entladung. Pfeile markieren Li 2 O 2 -Partikel. Abmessungen sind in Mikrometern.

In Experimenten zeigten Lithium-Luft-Batterien mit Graphenelektroden (ohne Katalysator) eine Rekordkapazität von 15.000 mAh pro Gramm Kohlenstoff. Wir stellen fest, dass solche Ergebnisse in einer Atmosphäre aus reinem O 2 erzielt wurden, in Luft nimmt die Kapazität deutlich ab, da Wasser den Betrieb des Geräts stört. Die Autoren denken bereits über das Design der Membran nach, die den Schutz vor Wasser garantiert, aber den nötigen Sauerstoff passieren lässt.

„Wir wollen auch, dass der Akku vollständig wiederaufladbar ist“, sagt Teamleiter Ji-Guang Zhang. "Dafür braucht es einen neuen Elektrolyten und einen neuen Katalysator, und das interessiert uns jetzt."

Entladekurve einer Lithium-Luft-Batterie mit einer Graphenelektrode.

Die Deutschen haben die Fluorid-Ionen-Batterie erfunden

Neben einem ganzen Heer elektrochemischer Stromquellen haben Wissenschaftler eine weitere Möglichkeit entwickelt. Ihre erklärten Vorteile sind eine geringere Brandgefahr und eine zehnmal höhere spezifische Kapazität als bei Lithium-Ionen-Batterien.

Chemiker des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben das Konzept von Batterien auf Basis von Metallfluoriden vorgeschlagen und sogar mehrere kleine Laborproben getestet.

In solchen Batterien sind Fluoranionen für die Ladungsübertragung zwischen den Elektroden verantwortlich. Anode und Kathode der Batterie enthalten Metalle, die je nach Stromrichtung (Laden oder Entladen) wiederum in Fluoride umgewandelt oder wieder zu Metallen reduziert werden.

„Da ein einzelnes Metallatom in der Lage ist, mehrere Elektronen gleichzeitig aufzunehmen oder abzugeben, erreicht dieses Konzept extrem hohe Energiedichten – bis zum Zehnfachen herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien“, sagt Co-Autor Dr. Maximilian Fichtner.

Um die Idee zu testen, erstellten deutsche Forscher mehrere Muster solcher Batterien mit einem Durchmesser von 7 Millimetern und einer Dicke von 1 mm. Die Autoren untersuchten verschiedene Materialien für Elektroden (z. B. Kupfer und Wismut in Kombination mit Kohlenstoff) und stellten einen Elektrolyten auf Basis von Lanthan und Barium her.

Ein solcher Festelektrolyt ist jedoch nur ein Zwischenschritt. Diese fluoridionenleitende Verbindung funktioniert nur bei hohen Temperaturen gut. Daher suchen Chemiker nach einem Ersatz dafür - einem flüssigen Elektrolyten, der bei Raumtemperatur wirken würde.

(Details finden Sie in der Pressemitteilung des Instituts und im Artikel im Journal of Materials Chemistry.)

Es ist schwer vorherzusagen, was der Batteriemarkt in Zukunft bringen wird. Lithium-Batterien sind nach wie vor an der Spitze des Spiels und haben dank Lithium-Polymer-Entwicklungen gutes Potenzial. Die Einführung von Silber-Zink-Elementen ist ein sehr langwieriger und kostspieliger Prozess, dessen Zweckmäßigkeit noch umstritten ist. Brennstoffzellen- und Nanotube-Technologien werden seit vielen Jahren mit den schönsten Worten gelobt und beschrieben, doch in der Praxis sind die eigentlichen Produkte entweder zu umständlich oder zu teuer oder beides. Nur eines ist klar - in den kommenden Jahren wird sich diese Branche aktiv weiterentwickeln, denn die Popularität von tragbaren Geräten wächst sprunghaft.

Parallel zu auf autonomen Betrieb ausgerichteten Notebooks entwickelt sich die Richtung zu Desktop-Laptops, bei denen der Akku eher die Rolle einer Backup-USV spielt. Samsung hat kürzlich einen ähnlichen Laptop ohne Akku veröffentlicht.

V NiCd-Akkus haben auch die Möglichkeit der Elektrolyse. Damit sich in ihnen kein explosiver Wasserstoff ansammelt, sind Batterien mit mikroskopisch kleinen Ventilen ausgestattet.

Am berühmten Institut MIT Kürzlich wurde durch die Bemühungen speziell trainierter Viren eine einzigartige Technologie zur Herstellung von Lithiumbatterien entwickelt.

Obwohl die Brennstoffzelle ganz anders aussieht als eine herkömmliche Batterie, funktioniert sie nach den gleichen Prinzipien.

Wer sonst kann vielversprechende Richtungen vorschlagen?

Vielversprechende Graphenelektroden für Lithium-Luft-Batterien wurden hergestellt
Ich erfülle weiterhin die Wünsche meiner Freunde vom Oktober ORDER TABLE. Wir lesen die Frage von Trudnopisaka: Es wäre interessant, über neue Batterietechnologien zu erfahren, die für die Massenproduktion vorbereitet werden. Nun, natürlich ist das Kriterium für die Massenproduktion etwas erweiterbar, aber ...

Communities ›Elektroautos› Blog ›Neue Batterien mit 20-fach höherer Kapazität.

Der Tscheche Jan Prochazka hat einen revolutionären Batterietyp geschaffen, dessen Produktion nun von den weltweit größten Investoren finanziert werden kann.

Die neue 3D-Batterie unterscheidet sich in der Herstellung von den bisher bekannten Mustern. Die Sache ist, dass bei der neuen Batterie die galvanischen Zellen horizontal in Form von Platten im Rahmen angeordnet sind und nicht wie bei Lithiumbatterien vertikal in Form von Metallfolien mit aktiven Schichten.
Diese Technologie hilft, die Produktionskosten zu senken, daher wird der Preis im Vergleich zu Lithium niedriger sein.

Die neue Technologie zur Herstellung von Batterien ermöglicht nicht nur eine Erhöhung ihrer Kapazität um mindestens das 20-fache, sondern ermöglicht auch ein schnelleres Aufladen der Batterie.

Neue ultragroße Batterien können das Hauptproblem der alternativen Energie lösen - die Langzeitspeicherung der angesammelten Energie. Darüber hinaus können sie in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden – dadurch wird die Reichweite deutlich erhöht.

Das Patent für die 3D-Batterie gehört der Firma HE3DA, die vom Schöpfer der neuen Batterie, Jan Prochazk, geleitet wird. Momentan hat er in seiner Werkstatt in Letняany 160 Exemplare produziert.

Die Erfindung des Tschechen zog zahlreiche Großinvestoren aus Deutschland und der Slowakei an. Am interessantesten war jedoch der Vorschlag des privaten chinesischen Milliardärs Hu Yuanping.

Der Chinese hat eine nicht rückzahlbare Anzahlung von 5 Millionen Euro geleistet und ist bereit, 50 Millionen Euro mehr für 49% der Anteile an HE3DA www.he3da.cz/#!technology/ci26 zu zahlen. Doch damit endet auch die Großzügigkeit des chinesischen Milliardärs nicht, künftig will er weitere 50 Millionen Euro investieren, wenn sich das Projekt bewährt.

Die erste Fabrik zur Herstellung von 3D-Batterien wird im Norden Mährens in der Stadt Horní Sucha entstehen, später wird auch die Massenproduktion in China organisiert.

Die Erfindung von Prochazka wird nicht nur die Speicherung von Energie aus Wind- und Solarkraftwerken effizienter machen, sondern auch in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, was diese noch beliebter machen wird.

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Tags: 3D-Batterie, revolutionärer Batterietyp, he3da. Der Tscheche Jan Prochazka hat einen revolutionären Batterietyp geschaffen, dessen Produktion nun von den weltweit größten Investoren finanziert werden kann. Die neue 3D-Batterie unterscheidet sich in der Herstellung von den bisher bekannten Mustern. Die Sache ist, dass in der neuen Batterie die galvanischen Zellen horizontal angeordnet sind.

Viele glauben, dass die Zukunft der Automobilindustrie in Elektroautos liegt. Es gibt Rechnungen im Ausland, nach denen ein Teil der jährlich verkauften Autos entweder Hybrid sein oder mit Strom betrieben werden müssen, also wird nicht nur in die Werbung für solche Autos investiert, sondern auch in den Bau von Tankstellen.

Viele Menschen warten jedoch noch darauf, dass Elektroautos zu echten Rivalen der traditionellen Autos werden. Oder vielleicht wird es sein, wenn die Ladezeit kürzer wird und die Akkulaufzeit steigt? Vielleicht helfen Graphenbatterien der Menschheit dabei.

Was ist Graphen?

Ein revolutionäres Material der neuen Generation, das leichteste und stärkste, das elektrisch leitfähigste – es dreht sich alles um Graphen, das nichts anderes ist als ein zweidimensionales Kohlenstoffgitter mit einer Dicke von einem Atom. Der Schöpfer von Graphen, Konstantin Novoselov, erhielt den Nobelpreis. Normalerweise vergeht zwischen der Entdeckung und dem Beginn der praktischen Anwendung dieser Entdeckung in der Praxis eine lange Zeit, manchmal sogar zig Jahre, aber Graphen hat ein solches Schicksal nicht erlitten. Vielleicht liegt dies daran, dass Novoselov und Geim die Technologie ihrer Produktion nicht verschwiegen haben.

Sie haben nicht nur der ganzen Welt davon erzählt, sondern auch gezeigt: Auf YouTube gibt es ein Video, in dem Konstantin Novoselov ausführlich über diese Technologie spricht. Daher werden wir vielleicht bald sogar in der Lage sein, Graphenbatterien mit unseren eigenen Händen herzustellen.

Entwicklung

Es gab Versuche, Graphen in fast allen Bereichen der Wissenschaft einzusetzen. Es wurde in Sonnenkollektoren, Kopfhörern, Gehäusen und sogar zur Behandlung von Krebs versucht. Im Moment ist jedoch eine Graphenbatterie eines der vielversprechendsten und notwendigsten Dinge für die Menschheit. Denken Sie daran, dass Elektrofahrzeuge mit einem so unbestreitbaren Vorteil wie billigem und umweltfreundlichem Kraftstoff einen gravierenden Nachteil haben - eine relativ niedrige Höchstgeschwindigkeit und eine Gangreserve von nicht mehr als dreihundert Kilometern.

Das Jahrhundertproblem lösen

Eine Graphenbatterie funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie eine Bleibatterie mit einem alkalischen oder sauren Elektrolyten. Dieses Prinzip ist eine elektrochemische Reaktion. Der Aufbau einer Graphenbatterie ähnelt einer Lithium-Ionen-Batterie mit Festelektrolyt, bei der die Kathode aus Kohlenkoks besteht, der in seiner Zusammensetzung dem reinen Kohlenstoff nahe kommt.

Allerdings gibt es bei der Entwicklung von Graphenbatterien bereits zwei grundsätzlich unterschiedliche Richtungen. In den Vereinigten Staaten haben Wissenschaftler vorgeschlagen, eine Kathode aus Graphen- und Siliziumplatten herzustellen, die miteinander verstreut sind, und die Anode aus klassischem Lithium-Kobalt. Russische Ingenieure haben eine andere Lösung gefunden. Das giftige und teure Lithiumsalz kann durch umweltfreundlicheres und billigeres Magnesiumoxid ersetzt werden. Die Batteriekapazität wird in jedem Fall erhöht, indem die Durchtrittsgeschwindigkeit der Ionen von einer Elektrode zur anderen erhöht wird. Dies wird dadurch erreicht, dass Graphen eine hohe elektrische Permeabilität und die Fähigkeit besitzt, elektrische Ladung zu akkumulieren.

Die Meinungen der Wissenschaftler zu Innovationen sind geteilt: Russische Ingenieure behaupten, dass Graphen-Batterien eine doppelte Kapazität haben wie Lithium-Ionen-Batterien, während ihre ausländischen Kollegen von zehn behaupten.

Graphenbatterien wurden 2015 in Massenproduktion hergestellt. Das tut zum Beispiel das spanische Unternehmen Graphenano. Der Einsatz dieser Batterien in Elektrofahrzeugen an Logistikstandorten zeigt laut Hersteller die realen praktischen Möglichkeiten einer Graphen-Kathoden-Batterie. Das vollständige Aufladen dauert nur acht Minuten. Graphenbatterien können auch die maximale Pfadlänge erhöhen. 1000 km statt 300 km aufladen - das will der Graphenano-Konzern dem Verbraucher bieten.

Spanien und China

Das chinesische Unternehmen Chint kooperiert mit Graphenano, das für 18 Millionen Euro 10 % der Anteile an dem spanischen Konzern gekauft hat. Mit den gemeinsamen Mitteln soll ein Werk mit zwanzig Produktionslinien gebaut werden. Das Projekt hat bereits rund 30 Millionen Investitionen erhalten, die in die Installation von Geräten und die Einstellung von Mitarbeitern investiert werden. Nach dem ursprünglichen Plan sollte das Werk mit der Produktion von etwa 80 Millionen Batterien beginnen. In der Anfangsphase sollte China der Hauptmarkt werden, dann sollte mit Lieferungen in andere Länder begonnen werden.

In der zweiten Phase ist Chint bereit, 350 Millionen Euro in den Bau eines weiteren Werks mit etwa 5.000 Mitarbeitern zu investieren. Diese Zahlen verwundern nicht, wenn man bedenkt, dass die Gesamteinnahmen rund drei Milliarden Euro betragen werden. Zudem soll das für seine Umweltprobleme bekannte China mit umweltfreundlichem und billigem „Treibstoff“ versorgt werden. Wie wir jedoch beobachten können, sah die Welt abgesehen von lauten Aussagen nichts, nur Testmodelle. Volkswagen kündigte zwar auch an, mit Graphenano kooperieren zu wollen.

Erwartungen und Realität

Es ist 2017, was bedeutet, dass Graphenano seit zwei Jahren in der "Massenproduktion" von Batterien tätig ist, aber ein Elektroauto auf der Straße zu treffen, ist nicht nur für Russland eine Seltenheit. Alle vom Konzern veröffentlichten Spezifikationen und Daten sind eher vage. Im Allgemeinen gehen sie nicht über die allgemein akzeptierten theoretischen Konzepte hinaus, welche Parameter eine Graphenbatterie für ein Elektrofahrzeug haben sollte.

Hinzu kommt, dass bisher sowohl Verbrauchern als auch Investoren nur Computermodelle präsentiert wurden, keine echten Prototypen. Hinzu kommt, dass Graphen ein Material ist, das sehr teuer in der Herstellung ist. Trotz der lauten Äußerungen von Wissenschaftlern, wie es "auf das Knie gedruckt" werden kann, können derzeit nur die Kosten für einige Komponenten gesenkt werden.

Graphen und der Weltmarkt

Befürworter aller Arten von Verschwörungstheorien werden sagen, dass niemand von der Erscheinung eines solchen Autos profitiert, weil dann Öl in den Hintergrund tritt und damit auch die Einnahmen aus seiner Produktion sinken. Höchstwahrscheinlich sind die Ingenieure jedoch auf einige Probleme gestoßen, möchten jedoch nicht dafür werben. Das Wort "Graphen" ist jetzt zu hören, viele halten es daher für vielleicht, Wissenschaftler wollen seinen Ruhm nicht verderben.

Entwicklungsprobleme

Der Punkt kann jedoch sein, dass das Material wirklich innovativ ist, sodass der Ansatz einen geeigneten Ansatz erfordert. Möglicherweise unterscheiden sich Batterien, die Graphen verwenden, grundlegend von herkömmlichen Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien.

Es gibt eine andere Theorie. Laut Graphenano Corp. werden die neuen Batterien in nur acht Minuten aufgeladen. Experten bestätigen, dass dies wirklich möglich ist, lediglich die Leistung der Stromquelle muss mindestens ein Megawatt betragen, was unter Testbedingungen im Werk möglich ist, aber nicht zu Hause. Der Bau einer ausreichenden Anzahl von Tankstellen mit einer solchen Kapazität wird viel Geld kosten, der Preis für eine Aufladung ist ziemlich hoch, sodass eine Graphenbatterie für ein Auto keinen Nutzen bringt.

Die Praxis zeigt, dass revolutionäre Technologien längst auf dem Weltmarkt verbaut sind. Es ist notwendig, viele Tests durchzuführen, um die Sicherheit eines Produkts zu gewährleisten, so dass sich die Freigabe neuer technologischer Geräte manchmal um viele Jahre verzögert.

Wir haben die Frage gelesen trudnopisaka :

„Es wäre interessant, neue Batterietechnologien zu kennen, die zur Serienreife gebracht werden."

Nun, natürlich ist das Kriterium für die Massenproduktion etwas dehnbar, aber versuchen wir jetzt herauszufinden, was vielversprechend ist.

Das haben sich die Chemiker ausgedacht:

Zellspannung in Volt (vertikal) und spezifische Kathodenkapazität (mAh/g) einer neuen Batterie unmittelbar nach ihrer Herstellung (I), erster Entladung (II) und erster Ladung (III) (Abbildung Hee Soo Kim et al./Nature Communications ) ...

Batterien, die auf einer Kombination von Magnesium und Schwefel basieren, sind hinsichtlich ihres Energiepotenzials in der Lage, Lithiumbatterien zu umgehen. Doch bis jetzt konnte niemand diese beiden Stoffe in einer Batteriezelle zusammenwirken lassen. Nun ist es mit einigen Vorbehalten einem Team von Spezialisten in den USA gelungen.

Wissenschaftler des Toyota Research Institute in Nordamerika (TRI-NA) haben versucht, das Hauptproblem bei der Entwicklung von Magnesium-Schwefel-Batterien (Mg/S) zu lösen.

Erstellt auf der Grundlage der Materialien des Pacific Northwest National Laboratory.

Die Deutschen haben die Fluorid-Ionen-Batterie erfunden

Chemiker des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben das Konzept von Batterien auf Basis von Metallfluoriden vorgeschlagen und sogar mehrere kleine Laborproben getestet.

„Da ein einzelnes Metallatom mehrere Elektronen gleichzeitig aufnehmen oder abgeben kann, erreicht dieses Konzept extrem hohe Energiedichten – bis zu zehnmal so hoch wie bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien“, sagt Co-Autor Dr. Maximilian Fichtner.

(Details finden Sie in der Pressemitteilung des Instituts und im Artikel im Journal of Materials Chemistry.)

Batterien der Zukunft

Es ist schwer vorherzusagen, was der Batteriemarkt in Zukunft bringen wird. Lithium-Batterien sind nach wie vor an der Spitze des Spiels und haben dank Lithium-Polymer-Entwicklungen gutes Potenzial. Die Einführung von Silber-Zink-Elementen ist ein sehr langwieriger und kostspieliger Prozess, dessen Zweckmäßigkeit noch umstritten ist. Brennstoffzellen- und Nanotube-Technologien werden seit vielen Jahren mit den schönsten Worten gelobt und beschrieben, doch in der Praxis sind die eigentlichen Produkte entweder zu sperrig oder zu teuer oder beides. Nur eines ist klar - in den kommenden Jahren wird sich diese Branche aktiv weiterentwickeln, denn die Popularität von tragbaren Geräten wächst sprunghaft.

V NiCd-Akkus haben auch die Möglichkeit der Elektrolyse. Damit sich in ihnen kein explosiver Wasserstoff ansammelt, sind Batterien mit mikroskopisch kleinen Ventilen ausgestattet.

Am berühmten Institut MIT Kürzlich wurde durch die Bemühungen speziell trainierter Viren eine einzigartige Technologie zur Herstellung von Lithiumbatterien entwickelt.

Obwohl die Brennstoffzelle ganz anders aussieht als eine herkömmliche Batterie, funktioniert sie nach den gleichen Prinzipien.

Wer sonst kann vielversprechende Richtungen vorschlagen?