Die Batterien von morgen befinden sich in den Labors von heute

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Gestern Abend habe ich mit einem Nachbarn zu Abend gegessen, der mich fragte, warum der Verkauf von Elektroautos in Amerika offenbar nachlässt. Er bezog sich insbesondere auf die Entscheidung von Ford, seine Produktionspläne für den elektrischen Pickup F-150 Lightning zu drosseln. Dieses Gespräch hat mir mehrere Dinge klargestellt. Erstens ist die Ladeinfrastruktur in Amerika für die Bedürfnisse vieler Autofahrer unzureichend. Zweitens laden die heute erhältlichen Akkus einfach nicht schnell genug auf oder bieten nicht genügend Reichweite, um den Ansprüchen normaler Fahrer gerecht zu werden.

Batterien sind das Problem, und wie wir schon mehrfach gesagt haben, sind die Batterien, die unsere Elektrofahrzeuge in Zukunft antreiben werden, noch nicht erfunden. Wenn dies der Fall ist, werden die Auswirkungen auf den Markt für Elektrofahrzeuge ähnlich sein, wie der Selbststarter und das Automatikgetriebe das Auto für viel mehr Fahrer zugänglich gemacht haben. Wissenschaftler in Cornell und Harvard erfinden möglicherweise gerade diese verbesserten Batterien.

Cornell entwickelt Schnellladebatterien

Ein Team von Cornell Engineering hat eine neue Lithiumbatterie entwickelt, die in weniger als fünf Minuten aufgeladen werden kann und dabei über längere Lade- und Entladezyklen hinweg eine stabile Leistung beibehält. Der Durchbruch könnte die „Reichweitenangst“ von Autofahrern lindern, die befürchten, dass Elektrofahrzeuge lange Strecken ohne zeitraubendes Aufladen nicht zurücklegen können.

„Reichweitenangst ist ein größeres Hindernis für die Elektrifizierung im Transportwesen als alle anderen Hindernisse wie Kosten und Leistungsfähigkeit von Batterien, und wir haben einen Weg gefunden, sie durch rationale Elektrodendesigns zu beseitigen“, sagte Lynden Archer, Dekanin von Cornell Engineering. der das Projekt betreut hat. „Wenn man die Batterie eines Elektrofahrzeugs in fünf Minuten aufladen kann, muss man, meine Güte, keine Batterie haben, die groß genug für eine Reichweite von 300 Meilen ist. Sie können sich mit weniger zufrieden geben, was die Kosten für Elektrofahrzeuge senken und eine breitere Akzeptanz ermöglichen könnte.“

Nach dem Schnellladen ihrer neuen Lithiumbatterie stellten die Forscher fest, dass die Indiumanode eine gleichmäßige Lithiumelektroabscheidung aufwies, während bei anderen Anodenmaterialien Dendriten entstehen können, die sich auf die Leistung der Batterie auswirken. Die Forschungsarbeit des Teams mit dem Titel „Fast-Charge, Long-Duration Storage in Lithium Batteries“ wurde am 16. Januar in der Zeitschrift veröffentlicht Joule. Der Hauptautor ist Shuo Jin, ein Doktorand der Chemie- und Biomolekulartechnik.

„Unser Ziel war es, Batterieelektrodendesigns zu entwickeln, die auf eine Art und Weise laden und entladen, die mit der täglichen Routine übereinstimmt“, sagte Jin. „In der Praxis möchten wir, dass unsere elektronischen Geräte schnell aufgeladen werden und über längere Zeiträume funktionieren. Um dies zu erreichen, haben wir ein einzigartiges Indium-Anodenmaterial identifiziert, das effektiv mit verschiedenen Kathodenmaterialien kombiniert werden kann, um eine Batterie zu schaffen, die schnell lädt und langsam entlädt.“

Die Cornell-Forscher konzentrierten sich auf Damköhler-Zahlen — das Maß für die Geschwindigkeit, mit der chemische Reaktionen ablaufen, im Verhältnis zur Geschwindigkeit, mit der Material zum Reaktionsort transportiert wird. Die Identifizierung von Batterieelektrodenmaterialien mit schnellen Festkörpertransportraten half den Forschern, Indium als außergewöhnlich vielversprechendes Material für Schnellladebatterien zu identifizieren, vor allem weil es die Bildung von Dendriten praktisch eliminiert.

„Die wichtigste Innovation besteht darin, dass wir ein Designprinzip entdeckt haben, das es Metallionen an einer Batterieanode ermöglicht, sich frei zu bewegen, die richtige Konfiguration zu finden und erst dann an der Ladungsspeicherreaktion teilzunehmen“, sagte Archer. „Das Endergebnis ist, dass sich die Elektrode bei jedem Ladezyklus in einem stabilen morphologischen Zustand befindet. Genau das verleiht unseren neuen Schnellladebatterien die Fähigkeit, sich über Tausende von Zyklen wiederholt zu laden und zu entladen.“

Jetzt zügeln Sie Ihre Begeisterung, CleanTechies. Indiumanoden sind weder perfekt noch praktisch. „Während dieses Ergebnis aufregend ist, da es uns zeigt, wie man Batterien schnell auflädt, ist Indium schwer“, sagte Archer. „Hierin liegt eine Chance für die rechnergestützte Chemiemodellierung, möglicherweise unter Verwendung generativer KI-Tools, um herauszufinden, welche Leichtbau-Materialchemie die gleichen an sich niedrigen Damköhler-Zahlen erreichen könnte.“

„Gibt es zum Beispiel Metalllegierungen, die wir noch nie untersucht haben und die die gewünschten Eigenschaften aufweisen? Daraus ergibt sich meine Genugtuung, dass es ein allgemeines Prinzip gibt, das es jedem ermöglicht, eine bessere Batterieanode zu entwickeln, die schnellere Laderaten als die neueste Technologie erreicht.“

Übersetzung: Schnellladebatterien von Cornell Engineering sind noch lange nicht serienreif, aber die Forscher haben eine Tür aufgebrochen. Können sie aus ihrer Entdeckung Kapital schlagen? Bleiben Sie dran.

Harvard verfolgt bei Festkörperbatterien einen anderen Ansatz

Forscher der Harvard School of Engineering and Applied Sciences haben eine neue Lithium-Metall-Batterie entwickelt, die mindestens 6.000 Mal geladen und entladen werden kann – mehr als jede andere Pouch-Batteriezelle – und in wenigen Minuten wieder aufgeladen werden kann. Wie bei der Cornell-Forschung liegt der Schwerpunkt in Harvard auf der Reduzierung oder Beseitigung der Dendritenbildung.

„Lithium-Metallanodenbatterien gelten als der heilige Gral der Batterien, weil sie eine zehnmal höhere Kapazität als kommerzielle Graphitanoden haben und die Fahrstrecke von Elektrofahrzeugen drastisch verlängern könnten“, sagte Xin Li, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und leitender Autor der Studie . „Unsere Forschung ist ein wichtiger Schritt hin zu praxistauglicheren Festkörperbatterien für industrielle und kommerzielle Anwendungen.“

In dieser neuen Forschung verhindern Li und sein Team die Bildung von Dendriten, indem sie mikrometergroße Siliziumpartikel in der Anode verwenden, um die Lithiierungsreaktion einzuschränken und eine homogene Plattierung einer dicken Schicht aus Lithiummetall zu ermöglichen. Wenn sich Lithiumionen beim Laden von der Kathode zur Anode bewegen, wird die Lithiierungsreaktion an der flachen Oberfläche eingeschränkt und die Ionen heften sich an die Oberfläche des Siliziumpartikels, dringen jedoch nicht weiter ein. Dies unterscheidet sich deutlich von der Chemie flüssiger Lithium-Ionen-Batterien, bei denen die Lithiumionen durch eine tiefe Lithiierungsreaktion eindringen und schließlich Siliziumpartikel in der Anode zerstören.

„In unserem Design wird Lithiummetall um die Siliziumpartikel gewickelt, wie eine harte Schokoladenschale um einen Haselnusskern in einem Schokoladentrüffel“, sagte Li. Diese beschichteten Partikel erzeugen eine homogene Oberfläche, über die sich die Stromdichte gleichmäßig verteilt und so das Wachstum von Dendriten verhindert wird. Da das Galvanisieren und Abisolieren auf einer ebenen Oberfläche schnell erfolgen kann, kann der Akku in nur etwa 10 Minuten aufgeladen werden.

„Unsere Forschung erklärt einen möglichen zugrunde liegenden Mechanismus des Prozesses und bietet einen Weg zur Identifizierung neuer Materialien für das Batteriedesign. Frühere Untersuchungen hatten ergeben, dass andere Materialien, einschließlich Silber, als gute Materialien an der Anode für Festkörperbatterien dienen könnten“, sagte Li. „Unsere Forschung erklärt einen möglichen zugrunde liegenden Mechanismus des Prozesses und bietet einen Weg zur Identifizierung neuer Materialien für das Batteriedesign.“

Das wegnehmen

Warum machen wir solche Geschichten? Offensichtlich besteht eine große Kluft zwischen der Forschung im Labor und der kommerziellen Produktion. Hier ist die Antwort. Die EV-Revolution in Amerika hat den Pause-Knopf gedrückt. Aber in diesem und im nächsten Jahr wird es eine bessere Ladeinfrastruktur geben und neue Batterien, die schneller laden und mehr Reichweite bieten, sind nur einen Labordurchbruch entfernt.

Die Menschen möchten wissen, dass sie sich darauf verlassen können, dass Elektroautos sie dorthin bringen, wo sie hin müssen, wann immer sie müssen – ohne Ausreden, ohne Entschuldigungen und ohne Ausnahmen. Die Perfektionierung des Automobils dauerte 100 Jahre. Elektrofahrzeuge gibt es erst seit etwa 13 Jahren in statistisch signifikanten Mengen. Diese Party hat gerade erst begonnen. Bleiben Sie ruhig und machen Sie weiter.