Lithium-Ionen-Batterien mögen heute die Technologie der Wahl sein, aber die nächste Generation von Energiespeichergeräten – die das Potenzial haben, sicherer zu sein und länger zu halten – könnte früher da sein, als Sie denken.
JCESR-Wissenschaftler arbeiten im Electrochemical Discovery Laboratory des Argonne National Laboratory an der Batterieforschung der nächsten Generation.
Batterieinnovationen sind erforderlich, um ein erneuerbares Stromnetz zu ermöglichen und Schwerlasttransporte wie Fernlastwagen, Seeschifffahrt und Luftfahrt zu dekarbonisieren. An der Spitze der Innovationsladung steht unter anderem das Joint Centre for Energy Storage Research (JCESR), ein US-Energieministerium (DAMHIRSCHKUH) Innovation Hub unter der Leitung von DAMHIRSCHKUH‘s Argonne National Laboratory.
Seit 2013, JCESR Forscher haben eine breite und vielfältige Palette von Technologien in der erfunden„jenseits des Lithium-Ionen-Raums. Das Hauptaugenmerk lag auf Durchfluss-, Lithium-Schwefel-, multivalenten und Festkörperbatterien und hat nachgegeben mehr als 30 Patente die jetzt für die Lizenzierung verfügbar sind.
„Das Portfolio an geistigem Eigentum, das wir entwickelt haben, veranschaulicht unser grundlegendes Verständnis dafür, wie man von der atomaren Ebene aufwärts Moleküle baut, die interagieren und stabile, funktionierende Batteriematerialien schaffen“, sagte Argonne-Materialingenieur und JCESR Forscher, Brian Ingram.
Warum Technologien jenseits von Lithium benötigt werden
Alle Batterien inkl drei Schlüsselteile: eine Anode, die negative Seite der Batterie; eine Kathode, die positive Seite der Batterie; und ein Elektrolyt, ein chemisches Material, das den Strom- oder Ladungsfluss zwischen Anode und Kathode ermöglicht.
Im Falle von Lithium-Ionen, wenn die Batterie eingeschaltet wird, finden chemische Reaktionen statt, die dazu führen, dass negativ geladene Teilchen, bekannt als Elektronen, und positiv geladene Lithiumteilchen, bekannt als Lithium-Ionen, freigesetzt werden. Die Lithiumionen bewegen sich durch den Elektrolyten, um von der Anode zur Kathode zu gelangen. Währenddessen passieren Elektronen von der Anode einen separaten Stromkreis, um zur Kathode zu gelangen, und ihre Bewegung erzeugt einen elektrischen Strom, der Geräte antreibt. Wenn diese Batterien wieder aufgeladen werden, werden die Ionen und Elektronen zurück zur Anode gedrückt, wo sie bereit sind, den Zyklus von vorne zu beginnen.
Obwohl sehr nützlich, haben Lithium-Ionen-Batterien einige Nachteile. Sie erfordern zusätzlichen physischen Schutz, um einen sicheren Betrieb aufrechtzuerhalten, sind kostspielig in der Herstellung und haben eine begrenzte Lebensdauer. Die Forschung zu Batterien der nächsten Generation konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Designs und Materialien, die diese Einschränkungen überwinden und die Verwendungsmöglichkeiten für Batterien erweitern können.
Redox-Flow-Batterien
Insbesondere im Bereich der Stromnetze gelten Redox-Flow-Batterien als wertvoll jenseits der Lithium-Ionen-Technologie. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien, die über einen kurzen Zeitraum viel Energie liefern können, sind Flow-Batterien besser geeignet, um über längere Zeiträume geringere Energiemengen zu liefern.
Forschung aus JCESR hat Möglichkeiten aufgezeigt, Flow-Batterien noch energiedichter und effizienter zu machen, als sie es heute sind. Zu ihrem geistigen Eigentum gehören Patente, die einige der Einschränkungen bestehender Flow-Batterien und nichtwässriger Flow-Batterien, einer aufkommenden Technologie, angehen.
Multivalente Ionen-Batterietechnologien
Batterien mit mehrwertigen Metallen sind eine weitere aufstrebende Technologie, die Forscher sind JCESR erforschen. Im Vergleich zu Lithium, das nur einfach geladen werden kann, können mehrwertige Metalle eine höhere Ladungsdichte realisieren.
Anoden aus mehrwertigen Metallen, wie z Magnesium und Kalzium haben das Potenzial, die Energiedichte von Lithium zu erreichen oder sogar zu übertreffen, und sind typischerweise häufiger vorhanden, was ihre Herstellung billiger und nachhaltiger machen könnte. Doch um ihre Entwicklung voranzutreiben, müssen Forscher noch eine Reihe wissenschaftlicher Herausforderungen meistern. JCESRDas geistige Eigentum von , befasst sich insbesondere mit Herausforderungen im Zusammenhang mit der Herstellung eines stabilen Elektrolyten, der in einer multivalenten Batterie funktioniert, die benötigt wird, um die Leistung über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten.
„Die Elektrolyte, die in diesem Raum existiert haben, sind nur unter sehr engen Bedingungen stabil. Mit JCESRwir haben viel getan, um diesen Stabilitätsbereich zu erweitern“, sagte Ingram.
Lithium-Schwefel-Batterien
Im Transportwesen haben Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S), eine weitere Batterie jenseits der Lithium-Ionen-Technologie, großes Potenzial gezeigt. Aufgrund ihrer Chemie und der Tatsache, dass Schwefel billig und häufiger vorkommt als andere häufig verwendete Kathodenmaterialien (wie Kobalt, Nickel und Mangan), könnten Li-S-Batterien mehr Energie zu geringeren Kosten als herkömmliche Lithium-Ionen-Technologien speichern. Wenn heute jedoch eine Li-S-Batterie entladen wird, können unbeabsichtigte Reaktionen auftreten, die dazu führen, dass sich als Polysulfide bekannte Materialien in der Batterie ansammeln, was ihre Lebensdauer verkürzen kann.
JCESR Wissenschaftler haben Materialien und Prozesse entwickelt, um diese und andere Herausforderungen anzugehen, die die Entwicklung von Li-S-Technologien einschränken. Ihr geistiges Eigentum umfasst Patente für Bindematerialien, um zu verhindern, dass Polysulfidmaterial durch die Batterie diffundiert, sowie für die Herstellung von Kathoden aus Schwefel.
„Es ist äußerst wichtig, wie Schwefel innerhalb der Kathode verteilt wird. Sie möchten, dass die Schwefelpartikel nicht in großen Stücken, sondern in kleineren Stücken vorliegen, damit Sie mehr Grenzflächen haben, an denen Reaktionen stattfinden können“, sagte Lei Cheng, Chemiker und Argonne JCESR Forscher.„In unserem Patent haben wir ein Verfahren vorgeschlagen, um den Schwefel so herzustellen, dass die Anzahl der Grenzflächen oder aktiven Stellen im Material maximiert wird.“
Festkörper- und Lithium-Metall-Batterien
Inmitten des Bestrebens, die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen zu verlängern, untersuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt auch Festkörperbatterien. Diese Batterien verwenden Festelektrolyte, die nicht brennbar sind, anstelle der brennbaren Flüssigelektrolyte, die in herkömmlichen Batterien zu finden sind.
Durch den Ersatz des flüssigen Elektrolyten sind Festkörperbatterien stabiler und damit potentiell sicherer. Insbesondere ein Typ – Festkörper-Lithium-Metall-Batterien – hat eine hohe Energiedichte und das Potenzial, im Vergleich zu den heute in Fahrzeugen verwendeten Lithium-Ionen-Batterien eine größere Reichweite und ein schnelleres Laden zu bieten.
Trotz ihres Potenzials neigen diese Batterien dazu, lange, verzweigte Lithiumnadeln, sogenannte Dendriten, zu bilden, die die Lebensdauer und Sicherheit der Batterien einschränken. Zu ihrem geistigen Eigentum gehören JCESR Forscher haben eine patentierte Beschichtung für ihre Anoden, die die Bildung von Dendriten unterdrücken kann. Darüber hinaus haben sie neuartige Prozesse und Batteriedesigns entwickelt, um ihre Effizienz zu steigern und ihren Lebenszyklus zu verlängern. Zusammengenommen sind diese und ihre anderen Arbeiten in der„über den Lithium-Ionen-Raum hinaus veranschaulichen die aufregenden Möglichkeiten, die jetzt hier sind, um die Energiespeicherung für die kommenden Jahrzehnte zu verbessern.
Um mehr über JCESR-finanzierte Erfindungen zu erfahren, kontaktieren Sie uns bitte unter jcesrlicensing@anl.gov.
Das Gemeinsame Zentrum für Energiespeicherforschung (JCESR)a DAMHIRSCHKUH Energy Innovation Hub, ist ein große Partnerschaft das Forscher aus vielen Disziplinen integriert, um kritische wissenschaftliche und technische Barrieren zu überwinden und neue bahnbrechende Energiespeichertechnologien zu entwickeln. Angeführt von der Argonne National Laboratory des US-EnergieministeriumsZu den Partnern gehören nationale Führer in Wissenschaft und Technik aus dem akademischen Bereich, dem Privatsektor und nationalen Labors. Ihre kombinierte Expertise umfasst das gesamte Spektrum der Technologieentwicklungspipeline von der Grundlagenforschung über die Entwicklung von Prototypen bis hin zur Produktentwicklung und Markteinführung.
Argonne National Laboratory sucht nach Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technologie. Argonne, das erste nationale Labor der Nation, führt bahnbrechende Grundlagen- und angewandte wissenschaftliche Forschung in praktisch allen wissenschaftlichen Disziplinen durch. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern aus Hunderten von Unternehmen, Universitäten und Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme zu helfen, die wissenschaftliche Führung Amerikas voranzubringen und die Nation auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Mit Mitarbeitern aus mehr als 60 Nationen wird Argonne von geführt Chicago Argonne, GMBH für die Office of Science des US-Energieministeriums.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Argonne National Laboratory. Von Joan Koka
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