4. September 2020 durch Steve Hanley
Die Leute sagen gerne, nichts ist sicher als Tod und Steuern. Wir können uns aber noch auf etwas anderes verlassen – Ankündigungen über neue Blockbuster-Batterietechnologien, die eine höhere Energiedichte und kürzere Ladezeiten versprechen. Angesichts der Tatsache, dass Entdeckungen im Labor normalerweise Jahre dauern, bis sie in die Produktion gelangen, deuten zwei solche Ankündigungen in dieser Woche darauf hin, dass die Kinder von morgen über die heutigen Lithium-Ionen-Batterien nachdenken werden, wie Kinder heute über Transistoren denken.
Ungeordnetes Steinsalz
Wissenschaftler der UC San Diego haben ein neues Anodenmaterial entdeckt, das sie als ungeordnetes Steinsalz bezeichnen und das es ermöglicht, Lithium-Ionen-Batterien innerhalb von Minuten sicher aufzuladen und Tausende von Zyklen zu halten. Sie bestehen aus Lithium-, Vanadium- und Sauerstoffatomen, die ähnlich wie gewöhnliches Küchensalz angeordnet sind, außer dass sie zufällig verteilt sind. Die Forschung wurde von den Professoren Ping Liu und Shyue Ping Ong durchgeführt und am 2. September in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Anerkennung: San Diego Nachrichten
Gegenwärtig sind die beiden Materialien, die am häufigsten als Anoden in handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, Graphit, das energiedicht ist, und Lithiumtitanat, das ein schnelleres Laden ohne Brandgefahr ermöglicht, aber eine geringere Energiedichte aufweist. Eine ungeordnete Steinsalzanode hat Eigenschaften, die irgendwo zwischen den beiden liegen. Es ist sicherer zu verwenden als Graphit, hat jedoch eine Energiedichte, die mindestens 70% höher ist als die von Lithiumtitanat.
„Kapazität und Energie sind etwas geringer als bei Graphit, aber es ist schneller, sicherer und hat eine längere Lebensdauer. Es hat eine viel niedrigere Spannung und daher eine deutlich verbesserte Energiedichte gegenüber den derzeit im Handel erhältlichen schnell aufladenden Lithium-Titanat-Anoden “, sagte Haodong Liu, Postdoktorand im Labor von Professor Ping Liu und Erstautor des Papiers. „Mit diesem Material können wir schnell aufladende, sichere Batterien mit langer Lebensdauer herstellen, ohne zu viel Energiedichte zu verlieren.“ Gemäß Science DailyDie ersten Anwendungen für Batterien mit den neuen Anoden werden Elektrobusse und Elektrowerkzeuge sein, da sie aufgrund der Eigenschaften von ungeordnetem Steinsalz ideal für Geräte geeignet sind, bei denen das Aufladen leicht geplant werden kann.
„Die Batteriegemeinschaft hat lange nach einem Anodenmaterial gesucht, das mit einem Potenzial knapp über Graphit arbeitet, um sichere und schnell aufladbare Lithium-Ionen-Batterien zu ermöglichen. Dieses Material füllt eine wichtige Wissens- und Anwendungslücke “, sagte Ping Liu. "Wir freuen uns über das kommerzielle Potenzial, da das Material eine Einstiegslösung für den heutigen Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien sein kann."
In der Studie stellten die Forscher fest, dass die ungeordnete Steinsalzanode zwei Lithiumionen bei einer durchschnittlichen Spannung von 0,6 V – höher als 0,1 V Graphit – reversibel zyklisieren kann, wodurch die Lithiummetallbeschichtung bei einer hohen Laderate eliminiert wird, was die Batterie sicherer macht niedriger als die 1,5 V, bei denen Lithium-Titanat Lithium interkaliert und daher viel mehr Energie speichert. Beim Testen wurde die neue Anode mehr als 6.000 Mal mit vernachlässigbarem Kapazitätsverlust getaktet. Es kann Energie schnell laden und entladen und liefert in 20 Sekunden über 40 Prozent seiner Kapazität.
Der Postdoktorand Zhuoying Zhu sagt: „Wir haben festgestellt, dass Li3V2O5 über einen Lademechanismus arbeitet, der sich von anderen Elektrodenmaterialien unterscheidet. Die Lithiumionen ordnen sich so um, dass sowohl eine niedrige Spannung als auch eine schnelle Lithiumdiffusion möglich sind. “
Übergangsmetalloxide
Wissenschaftler sind seit langem von einer Gruppe von Metalloxiden fasziniert, die mehr Energie speichern als theoretisch möglich. Jetzt glauben ein internationales Forschungsteam der Universität von Texas in Austin, des Massachusetts Institute of Technology, der Universität von Waterloo in Kanada, der Shandong Universität in China, der Qingdao Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass sie das Rätsel gelöst haben. Die Forschung, veröffentlicht in Naturmaterialienfanden verschiedene Arten von Metallverbindungen mit bis zu dreifacher Energiespeicherfähigkeit im Vergleich zu Materialien, die in den heute im Handel erhältlichen Lithium-Ionen-Batterien üblich sind.
"Seit fast zwei Jahrzehnten ist die Forschungsgemeinschaft verwirrt über die ungewöhnlich hohen Kapazitäten dieser Materialien, die über ihre theoretischen Grenzen hinausgehen", sagt Guihua Yu, Associate Professor am Walker Department of Mechanical Engineering an der Cockrell School of Engineering. "Diese Arbeit zeigt die allerersten experimentellen Beweise dafür, dass die zusätzliche Ladung über einen Raumladungsspeichermechanismus physisch in diesen Materialien gespeichert wird."
An der Spitze der Entdeckung stehen Übergangsmetalloxide – Verbindungen, die mit Eisen, Nickel oder Zink gebundenen Sauerstoff enthalten. Energie kann innerhalb der Metalloxide gespeichert werden, im Gegensatz zu den Änderungen in der Kristallstruktur, die herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien benötigen, um Energie zu speichern Science Daily.
Die in dieser Studie verwendete Schlüsseltechnik heißt vor Ort Die Magnetometrie ist eine magnetische Echtzeitüberwachungsmethode, mit der die Entwicklung der internen elektronischen Struktur eines Materials untersucht wird. Es ist in der Lage, die Ladungskapazität durch Messen von Magnetismusschwankungen zu quantifizieren. Diese Technik kann verwendet werden, um die Ladungsspeicherung in einem sehr kleinen Maßstab zu untersuchen – eine Fähigkeit, die mit vielen herkömmlichen Charakterisierungswerkzeugen nicht verfügbar ist. "Die wichtigsten Ergebnisse wurden mit einer Technik erzielt, die üblicherweise von Physikern verwendet wird, in der Batteriegemeinschaft jedoch sehr selten", sagt Yu. "Dies ist ein perfektes Schaufenster für eine wunderschöne Verbindung von Physik und Elektrochemie."
QuantumScape geht an die Öffentlichkeit
Alle oben genannten Forschungsarbeiten sind theoretische Dinge, die in Laboratorien stattfinden. Die Zeit, die benötigt wird, um von der Forschung zur Kommerzialisierung zu gelangen, zeigt QuantumScape, ein Spin-off aus der Forschung an der Stanford University, die vor einem Jahrzehnt von Jagdeep Singh gegründet wurde. Jetzt, zehn Jahre später, glaubt das Unternehmen, dass es fast bereit für die Hauptsendezeit ist, und plant einen Börsengang, um Spenden zu sammeln, um seinen ersten Prototypen-Herstellungsprozess in Betrieb zu nehmen.
Der Börsengang wird durch eine so genannte Reverse Merger-Transaktion mit der Zweckgesellschaft Kensington Capital Acquisition erreicht – eine Technik, die an der Wall Street im Trend liegt. Es wurde kürzlich von Lordstown Motors, Nikola und Fisker an die Börse gebracht. Canoo ist dabei, seinen Börsengang auf die gleiche Weise durchzuführen. Der Börsengang von QuantumScape wird voraussichtlich 3,3 Milliarden US-Dollar einbringen.
Gemäß Tech CrunchEine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie hat zwei Elektroden. Auf der einen Seite befindet sich eine Anode und auf der anderen eine Kathode. Ein Elektrolyt in der Mitte fungiert als Kurier, der beim Laden und Entladen Ionen zwischen den Elektroden bewegt. Festkörperbatterien verwenden einen Festelektrolyten anstelle des in den meisten Lithium-Ionen-Batterien enthaltenen Elektrolyten auf Flüssigkeits- oder Gelbasis. Das Unternehmen behauptet, Festelektrolyte hätten eine größere Energiedichte, was sich in einer größeren Reichweite von kleineren, leichteren (und hoffentlich weniger teuren) Batterien niederschlägt. Festelektrolyte sollen auch die Brandgefahr und den Bedarf an Kühlsystemen für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verringern.
So oft hören wir heute von erstaunlichen Durchbrüchen in der Batterietechnologie, die kaum mehr als Vaporware sind. QuantumScape scheint das echte Geschäft zu sein. Nicht weniger eine Autorität als JB Straubel, ehemaliger technischer Leiter von Tesla und jetzt Gründer von Redwood Materials, einem Unternehmen, das Möglichkeiten zur Rückgewinnung der Rohstoffe in Lithium-Ionen-Batterien zur Wiederverwendung entwickelt, nennt das QuantumScape-Festkörper-Design ohne Anoden. "Die eleganteste Architektur, die ich für ein Lithium-basiertes Batteriesystem gesehen habe." Großes Lob von jemandem, der es wissen sollte.
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Über den Autor
Steve Hanley Steve schreibt über die Schnittstelle zwischen Technologie und Nachhaltigkeit in seinen Häusern in Florida und Connecticut oder anderswo, wo ihn die Singularität führen könnte. Du kannst ihm folgen Twitter aber nicht auf Social-Media-Plattformen, die von bösen Overlords wie Facebook betrieben werden.