Warum Smartphones mit dieser neuen Akku-Technologie ein Upgrade erhalten können

Es gibt mehr Mobiltelefone auf der Welt als Menschen. Fast alle werden mit wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien betrieben, die die wichtigste Komponente darstellen, die die Revolution der tragbaren Elektronik der letzten Jahrzehnte ermöglicht. Keines dieser Geräte wäre für Benutzer attraktiv, wenn sie nicht genug Energie hätten, um mindestens einige Stunden zu halten, ohne besonders schwer zu sein.

Lithium-Ionen-Batterien eignen sich auch für größere Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Smart-Grid-Energiespeichersysteme. Und die Innovationen der Forscher in der Materialwissenschaft, die Lithium-Ionen-Batterien verbessern wollen, ebnen den Weg für noch mehr Batterien mit noch besserer Leistung. Für Hochleistungsbatterien, die weder Feuer fangen noch explodieren, besteht bereits Bedarf. Und viele Menschen haben davon geträumt, kleinere, leichtere Akkus zu verwenden, die sich innerhalb von Minuten - oder sogar Sekunden - aufladen und dabei genug Energie für ein tagelanges Gerät speichern.

Forscher wie ich denken jedoch noch abenteuerlicher. Noch besser wären Autos und Netzspeicher, wenn sie über viele Jahre oder Jahrzehnte zehntausendfach entladen und wieder aufgeladen werden könnten. Wartungsteams und Kunden würden sich über Batterien freuen, die sich selbst überwachen und Warnungen senden könnten, wenn sie beschädigt sind oder nicht mehr mit Höchstleistung funktionieren - oder sogar in der Lage sind, sich selbst zu reparieren. Es ist nicht zu viel, um von Dual-Purpose-Batterien zu träumen, die in die Struktur eines Gegenstands integriert sind und die Form eines Smartphones, eines Autos oder eines Gebäudes mitgestalten und gleichzeitig dessen Funktionen unterstützen.

All dies wird möglich, da meine Forschung und andere Wissenschaftler dabei unterstützen, dass Wissenschaftler und Ingenieure immer geschickter werden, um Materie auf der Skala einzelner Atome zu steuern und zu handhaben.

Aufkommende Materialien

Die Fortschritte bei der Energiespeicherung werden größtenteils von der Weiterentwicklung der Materialwissenschaft abhängen, die die Grenzen der Leistungsfähigkeit bestehender Batteriematerialien ansteigen lassen und völlig neue Batteriestrukturen und -zusammensetzungen entwickeln.

Die Batterieindustrie arbeitet bereits daran, die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien zu senken, unter anderem durch die Entfernung von kostspieligem Kobalt aus ihren positiven Elektroden, den sogenannten Kathoden. Dies würde auch die Personalkosten dieser Batterien senken, da viele Minen im Kongo, der weltweit führenden Kobaltquelle, Kinder für schwierige Handarbeit einsetzen.

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Forscher finden Wege, die Kobalt enthaltenden Materialien durch Kathoden zu ersetzen, die zumeist aus Nickel bestehen. Möglicherweise können sie das Nickel durch Mangan ersetzen. Jedes dieser Metalle ist billiger, reichhaltiger und sicherer als sein Vorgänger. Sie haben jedoch einen Kompromiss, weil sie chemische Eigenschaften haben, die die Lebensdauer ihrer Batterien verkürzen.

Die Forscher streben auch danach, die Lithiumionen, die zwischen den beiden Elektroden ausgetauscht werden, durch Ionen und Elektrolyte zu ersetzen, die billiger und möglicherweise sicherer sind, beispielsweise auf Natrium-, Magnesium-, Zink- oder Aluminiumbasis.

Meine Arbeitsgruppe untersucht die Möglichkeiten der Verwendung von zweidimensionalen Materialien, im Wesentlichen extrem dünnen Stoffschichten mit nützlichen elektronischen Eigenschaften. Graphen ist vielleicht das bekannteste von diesen - eine Kohlenstoffplatte, die nur ein Atom dick ist. Wir wollen herausfinden, ob das Stapeln von Schichten aus verschiedenen zweidimensionalen Materialien und das anschließende Infiltrieren des Stapels mit Wasser oder anderen leitfähigen Flüssigkeiten Schlüsselkomponenten von Batterien sein könnten, die sich sehr schnell aufladen.

Blick in die Batterie

Es sind nicht nur neue Materialien, die die Welt der Batterieinnovationen erweitern: Mit neuen Geräten und Methoden können Forscher auch viel einfacher als bisher über die Auswirkungen von Batterien auf Batterien informiert werden.

In der Vergangenheit durchliefen die Forscher eine Batterie durch einen bestimmten Lade- / Entlade-Vorgang oder eine bestimmte Anzahl von Zyklen, entfernten dann das Material aus der Batterie und untersuchten es anschließend. Nur dann konnten Wissenschaftler lernen, welche chemischen Veränderungen während des Prozesses stattgefunden hatten, und daraus schließen, wie die Batterie tatsächlich funktioniert hat und was ihre Leistung beeinflusst hat.

Forscher können nun Batteriematerial während des Energiespeichervorgangs beobachten und sogar ihre atomare Struktur und Zusammensetzung in Echtzeit analysieren. Wir können ausgefeilte Spektroskopietechniken verwenden, z. B. Röntgentechniken, die mit einem Typ von Teilchenbeschleuniger, einem Synchrotron, sowie Elektronenmikroskopen und Scansonden erhältlich sind, um zu beobachten, wie sich Ionen bewegen und sich physikalische Strukturen ändern, wenn Energie in Materialien gespeichert und aus diesen freigesetzt wird in einer Batterie.

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Mit diesen Methoden können sich Forscher wie ich neue Batteriestrukturen und -materialien vorstellen, sie herstellen lassen und sehen, wie gut - oder nicht - sie funktionieren. Auf diese Weise können wir die Revolution der Batteriematerialien weiter vorantreiben.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation von Veronica Augustyn veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.