Die Suche nach der perfekten Festkörperbatterie geht weiter, selbstheilende Schwefel-Edition

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Die Technologie von Festkörperbatterien schien noch vor wenigen Jahren in weiter Ferne und außer Sichtweite, doch Forschungsteams auf der ganzen Welt sind auf der Suche nach neuen Materialien, die den Verkauf von Elektrofahrzeugen ankurbeln könnten, was neben anderen Verbesserungen eine höhere Energiedichte und niedrigere Kosten bedeutet. Im Rennen ist schlichter alter Schwefel, obwohl er während der Ladezyklen dazu neigt, zu zerfallen. Dennoch hat Schwefel auch im Bereich der Festkörperbatterien Vorteile und es sieht so aus, als ob der Schwefelcode endlich geknackt wurde.

Schwefel und die Festkörperbatterie der Zukunft

Schwefel war für Festkörperbatterieforscher ein langer und harter Kampf. Die Lithium-Schwefel-Formel stieß auf die CleanTechnica Radar im Jahr 2013, als wir auf ein Forschungsprojekt am Oak Ridge National Laboratory, einer Zweigstelle des US-Energieministeriums, aufmerksam wurden.

„Forscher am Oak Ridge National Laboratory sind einer Lithium-Schwefel-Batterie auf der Spur, die die vierfache Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien bietet“, schwärmten wir. „Wenn die Technologie angesichts der niedrigen Kosten von Schwefel kommerzialisiert werden kann, hätte dies enorme Auswirkungen auf den Markt für Energiespeichergeräte, die mit Wind, Sonne oder anderen Formen erneuerbarer Energie betrieben werden.“

„Die kostengünstige Lithium-Schwefel-Kombination könnte auch den Markt für Elektrofahrzeuge öffnen“, fügten wir hinzu.

Im Jahr 2015 untersuchten wir außerdem die Forschung an Festkörperbatterien der nächsten Generation an der Drexel University, bei der ein hochtechnologisches, nanoskaliges Keramikmaterial zum Einsatz kam. Wir haben auch einige Herausforderungen zur Kenntnis genommen.

„Das Problem ist, dass herkömmliche Lithium-Schwefel-Batterien nicht sehr lange halten. Sie beginnen sich beim Entladen zu verschlechtern, sodass ihre Leistung bereits nach wenigen Lade-/Entladezyklen abnimmt“, beobachteten wir (weitere Neuigkeiten zu Schwefelbatterien finden Sie hier).

Das Problem ist zweifach. Schwefel selbst ist nicht besonders gut darin, Elektronen zu leiten, und seine Tendenz, sich während der Ladezyklen zu stark auszudehnen, stellt eine weitere Hürde dar.

Den Code für Lithium-Schwefel-Festkörperbatterien knacken

Seitdem ist viel Wasser unter die Brücke geflossen. Das US-Energieministerium investiert weiterhin viel Energie in neue Forschungsprojekte, die die Grenzen der Festkörperbatterietechnologie, einschließlich der Lithium-Schwefel-Formel, vorantreiben.

Bei der neuesten Entwicklung mit Unterstützung des Energieministeriums hat ein Forschungsteam der Jacobs School of Engineering an der University of California – San Diego gerade eine Studie zum Knacken von Lithium-Schwefel-Codes in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Das Team hat es sich ausgedacht ein neues selbstheilendes Schwefelmaterial für die Kathode in einer Festkörperbatterie, wobei Lithiummetall als Anodenmaterial dient.

Das neue Material besteht aus einer kristallinen Form von Schwefel, dotiert mit Jodmolekülen. „Durch den Einbau von Jodmolekülen in die kristalline Schwefelstruktur erhöhten die Forscher die elektrische Leitfähigkeit des Kathodenmaterials drastisch um 11 Größenordnungen, wodurch es 100 Milliarden Mal leitfähiger wurde als Kristalle, die nur aus Schwefel bestanden“, erklärt UC – San Diego.

Das ist kein CleanTechnica Tippfehler. Die genauen Worte der Schule lauten: „100 Milliarden Mal leitfähiger als Kristalle, die nur aus Schwefel bestehen“, also greifen Sie darauf zurück, wenn eine schrittweise Verbesserung wahrscheinlicher erscheint.

„Diese Batterien versprechen eine überlegene Alternative zu aktuellen Lithium-Ionen-Batterien, da sie eine höhere Energiedichte und geringere Kosten bieten“, fährt UC – San Diego fort. „Sie haben das Potenzial, bis zu doppelt so viel Energie pro Kilogramm zu speichern wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien – mit anderen Worten: Sie könnten die Reichweite von Elektrofahrzeugen verdoppeln, ohne das Gewicht des Batteriepakets zu erhöhen.“

„Darüber hinaus sind sie durch die Verwendung reichlich vorhandener, leicht zu beschaffender Materialien eine wirtschaftlich sinnvolle und umweltfreundlichere Wahl“, fügen sie hinzu.

Nächste Schritte für die selbstheilende Festkörperbatterie der Zukunft

Neben der Verbesserung der Leitfähigkeit ihrer Schwefelkathode erkannte das Team auch eine Möglichkeit für das neue Material, das Problem der Überausdehnung von Schwefel zu überwinden.

Die Idee besteht darin, die Kathode nach dem Laden der Batterie wieder in Form zu bringen. Bei einigen Materialien würde dies durch die hohe erforderliche Hitze erschwert werden, aber das Jacobs-Team stellte fest, dass ihre neue mit Jod optimierte Schwefelkathode etwa auf dem Temperaturniveau einer heißen Tasse Kaffee schmilzt, nämlich bei nur 149 Grad Fahrenheit.

„Das bedeutet, dass die Kathode nach dem Laden der Batterie leicht wieder geschmolzen werden kann, um die durch das Radfahren beschädigten Schnittstellen zu reparieren“, erklärt UC – San Diego. „Dies ist ein wichtiges Merkmal, um den kumulativen Schaden anzugehen, der an der Fest-Fest-Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt bei wiederholtem Laden und Entladen auftritt.“

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Apropos Honda…

Das wird einige Zeit in Anspruch nehmen, also bleiben Sie gespannt auf die nächsten Schritte. In der Zwischenzeit eine unserer Lieblingsbeschäftigungen hier CleanTechnica ist, bis zum Ende der Forschungsnachrichten zu scrollen, wo alle Geldgeber und Partner aufgelistet sind.

UC – San Diego stellt fest, dass die Jacobs-Studie, veröffentlicht unter dem Titel „Heilbares und leitfähiges Schwefeljodid für Festkörper-Li-S-Batterien„ist das Werk vieler Hände. Neben dem Hauptforschungsteam von Jacobs und der Unterstützung zweier Labore des Energieministeriums sind auch mehrere akademische Partner beteiligt. Auch das Honda Research Institute USA ist vertreten.

Wenn Honda anfängt, ein paar Glocken zu läuten, sollte das so sein. Letzten Dezember, CleanTechnica Ich habe einen Bericht in aufgegriffen AutoWoche, bezüglich einer Festkörperbatterie-Zusammenarbeit zwischen Honda, dem Ohio State University Institute for Materials and Manufacturing Research und der Firma Schaeffler Americas. Ziel ist die Gründung eines neuen Forschungszentrums für Elektrofahrzeugbatterien im Jahr 2025.

Im Januar 2023 kündigte die OSU außerdem eine 3,8 Millionen US-Dollar teure Zusammenarbeit mit Honda und dem Argonne National Laboratory des Energieministeriums an, die darauf abzielt, „mehr“ zu entwickeln erschwingliche und effiziente Batterien für Elektrofahrzeuge.“

Obwohl der Schwerpunkt auf der Materialforschung für Elektrofahrzeugbatterien liegt, erinnert Honda alle daran, dass neue Batterietechnologien nicht im luftleeren Raum existieren. Das Unternehmen betont die Fähigkeit zur Massenproduktion und Integration mit seinen Elektrofahrzeugen sind ebenfalls wesentliche Faktoren.

„Es ist möglich, eine kleine Batterie zu entwickeln und dabei den Schwerpunkt auf die Leistung der Materialien zu legen und nicht auf die Einschränkungen der Massenproduktionsmethoden. Für die Kommerzialisierung ist es jedoch wichtig, Batterien zu entwickeln und gleichzeitig zukünftige Massenproduktionsmethoden in Betracht zu ziehen“, erklärt das Unternehmen.

Honda hat insbesondere neue Verfahren zur Erhöhung der Dichte einer Festkörperbatterie erforscht. Der herkömmliche Stanzprozess muss fein abgestimmt werden, um eine Beschädigung des Materials zu vermeiden, was zu Abfall und anderen Mehrkosten führen könnte. Als Alternative prüft Honda eine sogenannte Rollenpresse.

„Honda hat das große Potenzial einer Walzenpresse erkannt, das zu einer hohen Geschwindigkeit der Produktionslinie führen wird, und hat Know-how in Walzenpresstechniken angehäuft, mit dem Ziel, die Produktionstechnologie für Festkörperbatterien zu etablieren“, erklärte Honda.

Wir haben in der Vergangenheit nicht gesehen, dass Honda dem Schwefel besondere Aufmerksamkeit schenkt, aber sein Interesse an der Jacobs-Forschung deutet darauf hin, dass die Fahrt mit einer Rollenpresse einer der nächsten Schritte für die neue Feststoffbatterie sein könnte. Wenn Sie dazu eine Meinung haben, hinterlassen Sie uns eine Nachricht im Kommentarthread.

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Bildnachweis: „Dies neues Kathodenmaterial für Lithium-Schwefel-Materialien ist strukturell heilbar und hochleitfähig“, von David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering über Eurekalert.