Produktion von Batterien der neuen Generation. Batterien des neuen Typs

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 das Zehnfache zu verlängern“, sagte Professor Harold H. Kung, einer der Hauptautoren 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 der Akku eine Ladung halten kann – wird durch die Ladungsdichte bzw. durch die Aufnahme von Lithium-Ionen an Anode oder Kathode begrenzt. 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 Graphenfolien: 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 erhalten 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 zu den Ergebnissen der Forschung und Entwicklung neuer Akkumulatoren erschienen.

"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 eine hohe Spitzenleistung 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 Zirkonat-Titanat-Blei-Folien mit einer Dicke von mehreren hundert Mikrometern. Beim Andrücken 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 erzielten 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 die Batterie leer ist, kann sie 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 an 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. Beim Aufladen 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 ungefährlich 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 beschriebenen 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 Herstellung von Smartphones und anderen elektronischen Geräten eines neuen Typs.

• Übersetzung

In den letzten Jahren haben wir oft gehört, dass die Menschheit Batterien erhalten wird, die unsere Geräte wochen- oder sogar monatelang mit Strom versorgen und dabei sehr kompakt und schnell aufladen. Aber die Dinger sind noch da. Warum effizientere Batterien noch nicht aufgetaucht sind und welche Entwicklungen es weltweit gibt, lesen Sie unter dem Schnitt.

Heute stehen eine Reihe von Startups kurz davor, sichere Kompaktbatterien mit Energiespeicherkosten von etwa 100 US-Dollar pro kWh zu entwickeln. Dies würde das Problem der 24/7-Stromversorgung lösen und in vielen Fällen auf erneuerbare Energiequellen umstellen und gleichzeitig Gewicht und Kosten von Elektrofahrzeugen reduzieren.

Aber all diese Entwicklungen nähern sich nur sehr langsam dem kommerziellen Niveau, was es nicht erlaubt, den Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Quellen zu beschleunigen. Selbst Elon Musk, der kühne Versprechen liebt, musste zugeben, dass seine Automobilabteilung allmählich Lithium-Ionen-Batterien verbessert, anstatt bahnbrechende Technologien zu entwickeln.

Viele Entwickler glauben, dass zukünftige Batterien eine ganz andere Form, Struktur und chemische Zusammensetzung aufweisen werden als Lithium-Ionen-Batterien, die im letzten Jahrzehnt andere Technologien aus vielen Märkten verdrängt haben.

Der Gründer von SolidEnergy Systems, Qichao Hu, der seit zehn Jahren eine Lithium-Metall-Batterie entwickelt (die Anode ist aus Metall, nicht aus Graphit, wie bei herkömmlichen Lithium-Ionen), argumentiert, dass das Hauptproblem bei der Entwicklung neuer Energiespeichertechnologien ist dass sich mit der Verbesserung eines Parameters die anderen verschlechtern. Darüber hinaus gibt es heute so viele Entwicklungen, deren Autoren lautstark ihre Überlegenheit behaupten, dass es für Startups sehr schwierig ist, potenzielle Investoren zu überzeugen und genügend Mittel für die weitere Forschung aufzubringen.

Bioo-Ladegerät

Stellen Sie sich ganze Haine vor, in denen jeder Baum über einem solchen Gerät gepflanzt wird, nur größer und mächtiger. Dies wird die umliegenden Häuser mit „kostenloser“ Energie versorgen und ein zwingender Grund sein, die Wälder vor Abholzung zu schützen.

Batterien mit Gold-Nanodrähten

Nanospezialisten, die tausendmal dünner als ein menschliches Haar sind, versprechen eine glänzende Zukunft. Bei ihrer Entwicklung verwendeten die Wissenschaftler Golddrähte in einer Hülle aus Mangandioxid, die in einen gelartigen Elektrolyten eingelegt sind. Dies verhindert eine Degradation der Nanodrähte bei jedem Ladezyklus.

Magnesiumbatterien

Festkörperbatterien

Dieser Nachteil wird ihnen vorenthalten fester Zustand Lithium-Ionen-Batterien, die heute als eine der vielversprechendsten gelten. Insbesondere Toyota-Entwickler haben eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht, in der sie ihre Experimente mit Sulfid-Superionischen Leitern beschrieben haben. Gelingt dies, entstehen Batterien auf dem Niveau von Superkondensatoren – sie sind in nur sieben Minuten vollständig geladen oder entladen. Ideal für Elektrofahrzeuge. Und dank der Festkörperstruktur werden solche Batterien deutlich stabiler und sicherer sein als moderne Lithium-Ionen-Batterien. Auch ihr Betriebstemperaturbereich wird erweitert – von –30 bis +100 Grad Celsius.

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology haben in Zusammenarbeit mit Samsung auch Festkörperbatterien entwickelt, die die heutigen Lithium-Ionen-Batterien übertreffen. Sie sind sicherer, ihr Energieverbrauch ist um 20-30% höher und außerdem halten sie Hunderttausenden von Ladezyklen stand. Außerdem sind sie nicht brandgefährlich.

Brennstoffzellen

Autobatterien aus Graphen

Die Kapazität des 2,3-Volt-Grabats ist enorm: etwa 1000 Wh/kg. Zum Vergleich: Die besten Beispiele für Lithium-Ionen-Akkus haben einen Pegel von 180 Wh/kg.

Lasergefertigte Mikro-Superkondensatoren

Wissenschaftler der Rice University haben Fortschritte bei der Entwicklung von Mikro-Superkondensatoren gemacht. Einer der Hauptnachteile der Technologie sind die hohen Herstellungskosten, aber der Einsatz eines Lasers kann zu einer deutlichen Kostensenkung führen. Elektroden für Kondensatoren werden per Laser aus einer Kunststoffplatte geschnitten, was die Arbeitsintensität der Produktion stark reduziert. Diese Batterien können 50-mal schneller aufgeladen werden als Lithium-Ionen-Batterien und langsamer entladen als die heute verwendeten Superkondensatoren. Darüber hinaus sind sie zuverlässig, im Laufe von Experimenten funktionierten sie auch nach 10.000 Biegungen weiter.

Natriumionenbatterien

Eine Gruppe französischer Forscher und Unternehmen RS2E hat Natrium-Ionen-Laptopbatterien entwickelt, die normales Salz verwenden. Das Funktionsprinzip und der Herstellungsprozess werden geheim gehalten. Die Kapazität eines 6,5-Zentimeter-Akkus beträgt 90 Wh / kg, was mit Lithium-Ionen-Massenbatterien vergleichbar ist, aber nicht mehr als 2.000 Ladezyklen übersteht.

Schaumspeicher

Hochleistungs-Schnellladegerät "Nano-Eigelb"

Eine weitere Entwicklung des Massachusetts Institute of Technology - Nanopartikel für Batterien: Eine hohle Hülle aus Titandioxid, in deren Inneren sich (wie das Eigelb) ein Füllstoff aus Aluminiumpulver, Schwefelsäure und Titanoxysulfat befindet. Die Abmessungen des Füllers können unabhängig von der Hülle variiert werden. Durch den Einsatz solcher Partikel konnte die Kapazität moderner Batterien verdreifacht und die Dauer einer Vollladung auf sechs Minuten verkürzt werden. Auch die Degradationsrate der Batterie hat abgenommen. Kirsche auf dem Kuchen - niedrige Produktionskosten und einfache Skalierung.

Ultraschnell ladender Aluminium-Ionen-Akku

Alfa Batterie - zwei Wochen auf dem Wasser

Batterien, die wie Papier gefaltet werden können

uBeam - über die Luft aufladen

uBeam ist ein interessantes Konzept, um Energie mittels Ultraschall auf ein mobiles Gerät zu übertragen. Das Ladegerät sendet Ultraschallwellen aus, die von einem Empfänger am Gerät erfasst und in Strom umgewandelt werden. Offenbar basiert die Erfindung auf dem piezoelektrischen Effekt: Der Empfänger schwingt unter dem Einfluss von Ultraschall und seine Schwingungen erzeugen Energie.

Wissenschaftler der Queen Mary University of London verfolgten einen ähnlichen Weg. Sie haben einen Prototyp eines Smartphones entwickelt, das sich einfach aufgrund von Außengeräuschen, einschließlich der Stimmen von Menschen, auflädt.

StoreDot

Transparentes Solarpanel

Ein Jahr später, im Jahr 2014, kündigte Tag Heuer eine neue Version seines Tag Heuer Meridiist Infinite-Show-Off-Telefons an, das ein transparentes Solarpanel zwischen dem Außenglas und dem Display selbst haben sollte. Es stimmt, es ist unklar, ob es zur Produktion kam.

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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, 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.

Entwicklungen

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 schlugen Wissenschaftler vor, eine Kathode aus miteinander verstreuten Graphen- und Siliziumplatten und die Anode aus klassischem Lithium-Kobalt herzustellen. Russische Ingenieure haben eine andere Lösung gefunden. Das giftige und teure Lithiumsalz kann durch umweltfreundlicheres und billigeres Magnesiumoxid ersetzt werden. Die Kapazität der Batterie 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, eine 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 sehr teures Material 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 des Netzteils 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 Vorteil bringt.

Die Praxis zeigt, dass revolutionäre Technologien längst auf dem Weltmarkt verbaut sind. Es ist notwendig, viele Tests durchzuführen, um sicherzustellen, dass das Produkt sicher ist, so dass sich die Veröffentlichung neuer technologischer Geräte manchmal um viele Jahre verzögert.

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 einen All-Solid-State-Akku mit verbesserter Sicherheit, Haltbarkeit und schnelleren Ladegeschwindigkeiten als herkömmliche Akkus.

„Kosten, Sicherheit, Energiedichte, Lade- und Entladeraten sowie Langlebigkeit sind kritische Kennzahlen für Batterien in Elektrofahrzeugen, die sich auf ihre wachsende 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 Flüssigelektrolyten 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 Material zur Stromspeicherung 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 Lithium-„Ableger“ im Akku bilden, die zu einem Kapazitätsverlust, einem Kurzschluss und sogar einer Explosion des Akkus führen. 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.

Schematische Darstellung eines funktionalisierten Graphenblatts mit funktionellen Gruppen an beiden Seiten und Kanten und Gitterdefekten, die energetisch günstige Plätze für den Einfang 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 weite 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, an denen wir jetzt interessiert sind."

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 den Ladungstransfer 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 mehrere Elektronen gleichzeitig aufnehmen oder abgeben kann, erreicht dieses Konzept extrem hohe Energiedichten – bis zu zehnmal höher als bei herkömmlichen 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 kombiniert 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 führend und haben dank Lithium-Polymer-Entwicklungen viel 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.

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. Um zu verhindern, dass sich in ihnen explosiver Wasserstoff ansammelt, sind Batterien mit mikroskopischen 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 ...

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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 Batterien mit ultrahoher Kapazität können das Hauptproblem der alternativen Energie lösen - die Langzeitspeicherung der angesammelten Energie. Außerdem 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.

Die Chinesen haben eine nicht rückzahlbare Anzahlung in Höhe von 5 Millionen Euro geleistet und sind bereit, weitere 50 Millionen Euro für eine 49%ige Beteiligung an HE3DA zu zahlen www.he3da.cz/#!technology/ci26. 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 entsteht im Norden Mährens in der Stadt Horní Sucha, 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 die galvanischen Zellen horizontal in der neuen Batterie liegen.