Batterien
Veröffentlicht auf 21. Oktober 2020 |
von Johnna Crider
21. Oktober 2020 durch Johnna Crider
Da ist ein neuer Ansatz Dies steigert die Effizienz von Lithium-Ionen-Batterien, die auch Brände löschen und die Batterien feuerfest machen. Der neue Ansatz, Laut Wissenschaftlern der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums ist das Reengineering einer der schwersten Komponenten in Batterien: Kupfer- oder Aluminiumfolien, die zum Sammeln von Strömen verwendet werden. Diese wurden so umgestaltet, dass sie 80% weniger wiegen. Sie löschen auch sofort alle Feuer, die aufflammen. Das Forschungsteam teilte ihre Arbeit in Naturenergie heute.
Yi Cui, Professor an der SLAC und in Stanford und Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), leitete die Forschung. "Der aktuelle Kollektor wurde immer als Eigengewicht angesehen und wurde bisher nicht erfolgreich zur Steigerung der Batterieleistung eingesetzt." Cui fügte hinzu: „In unserer Studie hat die Erhöhung der Kollektordichte um 80% die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien – wie viel Energie sie in einem bestimmten Gewicht speichern können – um 16–26% erhöht. Das ist ein großer Sprung im Vergleich zu dem durchschnittlichen Anstieg von 3% in den letzten Jahren. "
Die Forscher stellten fest, dass mit der Einführung der Technologie zwei Hauptziele der Batterieforschung erreicht werden:
1. Erweitern der Reichweite von Elektrofahrzeugen.
2. Verringerung der Gefahr, dass Laptops, Smartphones und andere Geräte in Flammen aufgehen.
Wissenschaftler von Stanford und SLAC haben Stromleiter – dünne Metallfolien, die Strom zu und von Elektroden verteilen – neu gestaltet, um Lithium-Ionen-Batterien leichter, sicherer und effizienter zu machen. Sie ersetzten den Vollkupferleiter in der Mitte durch eine Schicht aus leichtem Polymer, das mit ultradünnem Kupfer beschichtet war (oben rechts) und in die Polymerschicht ein feuerhemmendes Mittel eingebettet hatte, um die Flammen zu löschen (unten rechts). (Yusheng Ye / Stanford University)
Die Notwendigkeit für Gewichtsverlust
Es stellt sich heraus, dass Batterien genau wie Menschen ein Gewichtsproblem haben. Lithium-Ionen-Batterien haben entweder in Zylinderform oder in Beuteln zwei Stromkollektoren für jede Elektrode. Diese verteilen den Strom, der in die Elektrode hinein oder aus dieser heraus fließt, und machen 15% bis 50% des Gewichts einiger Hochleistungs- oder ultradünner Batterien aus. Wenn Sie einen Teil des Batteriegewichts verlieren, können Sie leichtere Geräte verwenden und gleichzeitig das Gewicht reduzieren, das Elektrofahrzeuge mit sich herumtragen müssen. Dies würde es der Batterie auch ermöglichen, mehr Energie pro gegebenem Gewicht zu speichern und sowohl Elektrofahrzeuge als auch Geräte zwischen den Ladevorgängen länger zu halten.
Ein weiterer Vorteil der Gewichtsreduzierung und Entflammbarkeit hätte einen großen Einfluss auf das Recycling. Dies würde laut Cui den Transport von recycelten Batterien billiger machen.
Yusheng Ye, ein Postdoktorand in Cuis Labor, führte Experimente mit dem Gastwissenschaftler Lien-Yang Chou durch. Ye wies darauf hin, dass die Forscher in der Batterieindustrie eine Herausforderung angegangen sind, während sie versucht haben, das Gewicht aktueller Kollektoren zu reduzieren. Die Forscher haben versucht, sie dünner oder poröser zu machen, aber die Herausforderungen waren die unerwünschten Nebenwirkungen. Diese traten in Form von Zerbrechlichkeit auf – die Batterien wurden zerbrechlicher und chemisch instabil. Oder sie würden mehr Elektrolyte benötigen, was die Kosten erhöht.
In Bezug auf die Sicherheit sagte Ye: "Die Leute haben auch versucht, dem Batterieelektrolyten, dem brennbaren Teil, feuerhemmend zuzusetzen, aber Sie können nur so viel hinzufügen, bevor er viskos wird und Ionen nicht mehr gut leitet."
Ein neu gestalteter Stromkollektor für Lithium-Ionen-Batterien macht Batterien leichter, energieeffizienter und sicherer. Es könnte auch die Kosten senken, indem Kupfer durch billigeres Polymer ersetzt und die Kosten für den Transport von Batterien zum Recycling gesenkt werden. (Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)
Neue Diät: Polymer-Folien-Sandwich ?
Cui, Ye und Liu setzten ihre Köpfe zusammen, um eine Lösung für das Problem zu finden, und entwarfen schließlich Experimente zur Herstellung und Prüfung von Stromkollektoren auf der Basis eines leichten Polymers, das als Polyimid bekannt ist. Polyimid ist feuerfest und kann die hohen Temperaturen aushalten, die durch schnelles Laden des Akkus entstehen. Ein feuerhemmendes Mittel, Triphenylphosphat (TPP), wurde in das Polymer eingebettet und dann auf beiden Oberflächen mit einer ultradünnen Kupferschicht beschichtet.
Dies führte dazu, dass das Kupfer das Polymer und sein Flammschutzmittel schützte und gleichzeitig den Strom wie gewohnt verteilen konnte. Diese Änderung reduzierte das Gewicht des Stromkollektors im Vergleich zu den heutigen Versionen um 80%, bemerkte Ye. Dies bedeutete eine Erhöhung der Energiedichte um 16–26% bei verschiedenen Batterietypen sowie die Fähigkeit, Strom genauso gut zu leiten wie normale Kollektoren ohne Verschlechterung.
Lithium-Ionen-Beutelbatterien, die mit den heutigen handelsüblichen Stromkollektoren (obere Reihe) hergestellt wurden, fingen Feuer und brannten heftig, bis der gesamte Elektrolyt weggebrannt war. Batterien mit den neuen flammhemmenden Kollektoren (untere Reihe) erzeugten schwache Flammen, die innerhalb weniger Sekunden erloschen und nicht wieder aufflammten, selbst wenn die Wissenschaftler versuchten, sie wieder anzuzünden. (Yusheng Ye / Stanford University).
Ye bemerkte, dass Beutelbatterien, die mit den heutigen kommerziellen Stromkollektoren hergestellt wurden, einer offenen Flamme eines Feuerzeugs ausgesetzt waren, Feuer fingen und intensiv brannten, bis der gesamte Elektrolyt weggebrannt war. Die Batterien mit den neuen flammhemmenden Kollektoren haben sich jedoch nicht wirklich verfangen. Das Feuer ging nie wirklich in Gang und die Flammen, die erzeugt wurden, waren sehr schwach und gingen innerhalb weniger Sekunden aus – ohne erneut zu flammen, selbst wenn die Forscher versuchten, es wieder anzuzünden.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes war laut Cui, dass der neue Kollektor einfach herzustellen und billiger sein sollte, da er einen Teil des Kupfers durch ein kostengünstiges Polymer ersetzt. Er sagte, es sollte sehr machbar sein, es für die kommerzielle Produktion zu skalieren. Die Forscher meldeten auch ein Patent bei Stanford an und Cui erklärte, sie wollten sich mit den Batterieherstellern in Verbindung setzen, um die Möglichkeiten zu erkunden. Die wissenschaftliche Forschung wurde vom DOE-Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien, Vehicle Technologies Office, im Rahmen des Programms eXtreme Fast Charge Cell Evaluation von Lithium-Ionen-Batterien (XCEL) unterstützt.
Der Vorteil von „feuerfesten“ Batterien
Zurück im August, Forbes stellte fest, dass einer der beliebtesten Mythen rund um Elektrofahrzeuge ist, dass die Batterien ein Brandrisiko darstellen. Dieser Mythos wird oft von EV-Hassern oder solchen benutzt, die aufgrund dieser Angst Angst haben, einen EV zu besitzen. Der Artikel bringt vor, dass viele Kritiker auf den Absturz eines elektrischen Hyperautos Rimac Concept_One hinweisen. Kritiker überspringen zwar den Punkt, dass das Auto nicht dramatisch abgestürzt ist, weil es ein Elektrofahrzeug war, sondern weil der Fahrer einen spektakulären Fehler gemacht hat, nachdem er mit hoher Geschwindigkeit zu riskant gefahren war. Sie verwendeten dies jedoch als Beispiel, um zu zeigen, dass alle Elektrofahrzeuge entflammbar sind und Angst um dieses Thema haben. Es ist egal, dass Sie beim Rauchen einer Zigarette an einer Tankstelle versehentlich den gesamten Block in die Luft jagen könnten.
In einigen Fällen kann es hilfreich sein, das Brandrisiko vollständig zu senken, und es beseitigt auch eines der Hindernisse für eine schnellere Einführung von Elektrofahrzeugen.
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Über den Autor
Johnna Crider ist eine Baton Rouge-Künstlerin, Edelstein- und Mineraliensammlerin, Mitglied der International Gem Society und eine Tesla-Aktionärin, die an Elon Musk und Tesla glaubt. Elon Musk riet ihr 2018, an das Gute zu glauben.
Tesla ist eines von vielen guten Dingen, an die man glauben kann. Sie finden Johnna auf Twitter