Nachricht

Jun 15, 2023

Die besten und innovativsten Ideen für neue Batterien

Bildnachweis: Roberto Sorin / Unsplash Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden. Seien wir ehrlich: Ein modernes Leben ohne Batterien ist kaum vorstellbar. Wir sind

Bildnachweis: Roberto Sorin / Unsplash

Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden.

Seien wir ehrlich: Ein modernes Leben ohne Batterien ist kaum vorstellbar. Wir sind auf unsere Geräte angewiesen und die meisten davon, darunter Telefone, Computer, Uhren, Tablets, Spielzeuge und sogar Autos, benötigen Batterien, um zu funktionieren.

Da wir ständig so viele Batterien verbrauchen, wissen wir auch, dass diese in der Regel nicht sehr lange halten. Es scheint, dass ihnen die Energie dann ausgeht, wenn es am unpraktischsten ist, und der Austausch ist oft kostspielig und schwierig zu recyceln.

Die Verbesserung der Nachhaltigkeit von Batterietechnologien ist für unseren Lebensstil von größter Bedeutung. Vor diesem Hintergrund haben wir uns einige der besten neuen Ideen für die Entwicklung der Batterien der Zukunft angesehen.

Der ultimative Leitfaden zur Batterietechnologie

Frachtschiff mit 3.000 Fahrzeugen fing Feuer, vermutlich Elektroauto-Batterien

Die umweltfreundliche Protonenbatterie bietet eine erschwingliche Energiespeicherung

Ein besonderer Grund für Innovationen bestand darin, einen Weg zu finden, der über Lithium-Ionen-Batterien hinausgeht. Vor allem, wenn es um Elektroautos und Geräte geht, die Lithium-Ionen-Batterien nutzen. Diese Batterien, die flüssige Elektrolyte enthalten, sind weit verbreitet.

Allerdings weist dieser Batterietyp gravierende Mängel auf, etwa seinen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad und die Gefahr, dass die flüssigen Elektrolyte explodieren und Brände verursachen.

Auf der Suche nach einem sichereren, nachhaltigeren und stabileren Ansatz hat ein internationales Forscherteam kürzlich die Mechanik einer Klasse von Verbindungen namens Argyrodite aufgedeckt, die nach einem silberhaltigen Mineral benannt sind und das Potenzial haben, als Elektrolyte im Festkörper verwendet zu werden Batterien und Wandler in thermoelektrischer Energie.

Die Argyroditverbindungen bestehen aus stabilen kristallinen Gerüsten, die aus zwei an Ort und Stelle gehaltenen Elementen und einem dritten Element bestehen, das sich frei in der chemischen Struktur bewegen kann. Sie können Silber, Germanium, Schwefel und andere Elemente enthalten. Ihr Vorteil liegt darin, dass das Framework sehr flexibel ist, was eine Reihe möglicher Kombinationen ermöglicht.

Für die aktuelle Studie nutzten die Forscher Neutronen und Röntgenstrahlen, um diese sich schnell bewegenden Teilchen von Atomen in einer Verbindung aus Silber, Zinn und Selen abzuprallen. Dies ermöglichte es den Wissenschaftlern, das molekulare Verhalten der Verbindung in Echtzeit aufzudecken. Die Daten wurden dann mithilfe von maschinellem Lernen und einem Rechenmodell analysiert, das auf quantenmechanischen Simulationen basierte.

Die in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichten Ergebnisse der Studie könnten zu einer Reihe neuer Energiespeichermöglichkeiten führen – von der Schaffung von Batteriewänden für Haushalte bis hin zu Elektrofahrzeugen, die sich außerordentlich schnell laden lassen.

Wie der Co-Autor der Studie, Olivier Delaire, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke University, in einer Pressemitteilung betonte: „Diese Studie dient dazu, unseren Ansatz des maschinellen Lernens zu bewerten, der enorme Fortschritte bei unserer Fähigkeit ermöglicht hat, diese Materialien nur zu simulieren.“ „Ich glaube, dass wir dadurch neue Verbindungen schnell virtuell simulieren können, um die besten Rezepte zu finden, die diese Verbindungen zu bieten haben.“

Ein weiterer vielversprechender Ansatz zum Ersatz von Lithium-Ionen-Batterien wurde von Forschern der australischen RMIT-Universität untersucht, die das Nanomaterial MXene einsetzten, um recycelbare Mobiltelefonbatterien zu entwickeln, deren Lebensdauer bis zu dreimal länger ist als die heutiger Technologie.

Die aus diesem Material hergestellten Batterien könnten bis zu neun Jahre halten, da hochfrequente Schallwellen eingesetzt werden, um den Rost zu beseitigen, der sich bildet und die Batterieleistung beeinträchtigt.

MXen hat Ähnlichkeiten mit Graphen und bietet eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Leslie Yeo, Professorin für Chemieingenieurwesen an der RMIT University und leitende leitende Forscherin, erklärte in einer Pressemitteilung: „Im Gegensatz zu Graphen sind MXene in hohem Maße anpassbar und eröffnen eine ganze Reihe möglicher technologischer Anwendungen in der Zukunft.“

Ein Nachteil bei der Verwendung von MXene besteht jedoch darin, dass es leicht rosten kann, wodurch die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigt wird und es unbrauchbar wird.

Interesting Engineering wandte sich an Professor Yeo, um weitere Kommentare dazu zu erhalten, wie sein Team einen Weg gefunden hat, diese MXene-Einschränkung mithilfe von Schallwellen zu umgehen.

Professor Yeo erklärte, dass die Hauptmotivation für die Suche nach Alternativen zu Lithium in seiner relativen Knappheit sowie in „den ökologischen und geopolitischen Überlegungen“ liegt, die mit der Lithiumgewinnung verbunden sind.

„MXene haben eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften, die sie zu vielversprechenden Kandidaten für Elektrodenmaterialien, leitfähige Additive und andere Komponenten (z. B. Schutzschichten) in Batterien machen, nicht zuletzt ihre sehr hohe reversible Kapazität und Zyklenstabilität sowie eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit.“ „Er erklärte und fügte hinzu, dass „die Vielfalt seiner Zusammensetzung und Oberflächenchemie, die eine Haltbarkeit ermöglicht, und seine Hydrophilie ebenfalls Schlüsselmerkmale des Materials sind, die es sehr attraktiv machen, ebenso wie seine relativ geringen Kosten.“

Der Professor befasste sich auch mit der speziellen Technik, die sein Team zur Rostentfernung aus MXene-basierten Batterien entwickelt hatte, und wies darauf hin, dass sich die Forschung noch in einem frühen Stadium befinde. Den Forschern gelang es, Oxidschichten von den MXenen zu entfernen, indem sie sie hochfrequenten Vibrationen aussetzten. Allerdings müssen noch weitere Tests durchgeführt werden, um die praktischste Umsetzung dieser Methode zu finden.

Obwohl er nicht bereit war, genau zu sagen, wie Verbrauchergeräte diesen Ansatz zur Wiederbelebung von Batterien nutzen würden, teilte Professor Yeo mit, dass der Prozess im industriellen Recyclingmaßstab „Durchsatz durch massive Parallelisierung der Chip-Scale-Technologie (Nutzung vieler Chips) erfordern würde.“ Wir verwenden es, um die Vibration zu erzeugen, da die Kosten für jeden Chip sehr niedrig sein können, indem wir die Skaleneffekte nutzen, die mit der Massen-Nanofabrikation im Wafer-Maßstab verbunden sind.

Einer der unerwartetsten Bereiche zur Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien wurde von Forschern aus Schottland bereitgestellt, die darauf abzielen, reichlich vorhandene Meeresalgen zu nutzen. Das Team des schottischen Unternehmens Marine Biopolymers und der School of Chemistry der University of Glasgow erforschen die Möglichkeit, maßgeschneiderte Alginate, ein Material, das in Braunalgen vorkommt, zu verwenden, um einen wichtigen Bestandteil in Batterien zu ersetzen und eine viel längere Lebensdauer zu erreichen.

Bildnachweis: Lauren Holding / Unsplash

Graphit- oder Kohlenstoffelektroden sind ein Standardbestandteil von Lithium-Ionen-Batterien, haben jedoch Einschränkungen hinsichtlich der speicherbaren Ladungsmenge und der Lebensdauer.

Eine Alternative zu Graphit könnte Silizium sein, mit dem sich die Ladekapazität verzehnfachen lässt. Aber Silizium hat seine eigene Achillesferse – weil es sich bei jedem Zyklus der Batterie ausdehnt und zusammenzieht, bricht es letztendlich. Das Team hinter dem neuen Ansatz schlägt vor, das Alginat in einer Siliziumbatterie zu verwenden, um die Elastizität und Energiespeicherkapazität der Elektrode zu verbessern.

Bisher konnte das Team einen Prototyp in der Größe einer Uhrenbatterie erstellen und erfolgreich testen. Sie arbeiten derzeit an der Entwicklung einer größeren Batterie, die Alginate aus Algen nutzt, mit dem Ziel, Batterien für den Antrieb einer Vielzahl von Produkten für Verbraucher und Industrie, einschließlich Elektrofahrzeugen, zu schaffen.

Professor Duncan Gregory, Lehrstuhlinhaber für anorganische Materialien an der School of Chemistry der University of Glasgow, sieht in dieser Arbeit potenziell große Auswirkungen auf die Umwelt. Er teilte kürzlich in einem Interview mit, dass Fortschritte in der Batterietechnologie ein wichtiger Teil der Abkehr von fossilen Brennstoffen seien.

Tatsächlich hängt die Zukunft von Elektrofahrzeugen und der Erzeugung erneuerbarer Energien von Batterien ab, die mehr Energie in kleineren Mengen und mit deutlich längerer Lebensdauer speichern können. Gregory erklärte außerdem: „Wir müssen nachhaltigere Produktionsmethoden und Wege finden, um natürlich vorkommende Materialien im Rahmen der Batterieherstellung zu verwenden.“

Eines der Hauptziele bei der Überwindung des Lithium-Ionen-Batterie-Paradigmas ist die Entwicklung einer nachhaltigeren Technologie. Ein in Großbritannien ansässiges Unternehmen, AMTE Power, setzt auf Natrium als Alternative zu Lithium.

Während herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien Lithium und Kobalt verwenden, verwenden die Zellen von AMTE stattdessen Natrium. Dies bietet enorme potenzielle Vorteile, da Natrium weit verbreitet ist und mit minimalem Energieaufwand gewonnen werden kann. Da sie keine Schwermetalle enthalten, lassen sich Natriumbatterien auch viel einfacher recyceln und sicherer entsorgen.

Auch wenn AMTE mit finanziellen Schwierigkeiten zu kämpfen hat, sind sie nicht die Einzigen, die sich mit Natriumbatterien neu befassen. Forscher der University of Texas in Austin haben ein Material für den Einsatz in natriumbasierten Batterien entwickelt, das sich genauso schnell aufladen lässt wie eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie und das Potenzial für eine höhere Energieabgabe als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien hat.

Andere Unternehmen wie das französische Otonohm verbessern die Nachhaltigkeit auf andere Weise, indem sie Software anstelle von Hardware verwenden. Sein geschaltetes Batteriemanagementsystem (BMS) ermöglicht es Herstellern, das Ladegerät, den Konverter und/oder den Wechselrichter von einer Antriebs- oder Leistungskette zu entfernen.

Durch die Reduzierung der Batterieleistung und die Überwachung des Ladezustands jeder Zelle bietet das BMS von Otonohm große Verbesserungen bei Effizienz, Batterielebensdauer und Zuverlässigkeit.

Das Unternehmen gibt an, dass sein System mit nahezu jedem Batterietyp funktioniert, die Batterielebensdauer um fast 30 % verlängert und 20 % mehr verfügbare Energie im Vergleich zu herkömmlichen Batterien bereitstellt.