Stanford-Forscher entwickeln wiederaufladbare Batterien, die sechsmal mehr Energie speichern
Zufällige Entdeckung: "Wir haben mindestens ein Jahr gebraucht, um wirklich zu erkennen, was los war"
Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Stanford University hat wiederaufladbare Batterien entwickelt, die bis zu sechsmal mehr Ladung speichern können als die derzeit auf dem Markt erhältlichen.
Eine LED-Leuchte, die von einem Prototyp einer wiederaufladbaren Batterie mit Natrium-Chlor-Chemie betrieben wird, die kürzlich von Forschern der Stanford University entwickelt wurde.
Guanzhou Zhu
August in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, könnte die Verwendung von wiederaufladbaren Batterien beschleunigen und bringt Batterieforscher einen Schritt näher an das Erreichen zweier erklärter Hauptziele ihres Fachgebiets heran: die Entwicklung einer Hochleistungsbatterie, die es ermöglichen könnte, Mobiltelefone nur noch einmal pro Woche statt täglich aufzuladen, und Elektrofahrzeuge, die ohne Aufladen sechsmal weiter fahren können.
Die neuen so genannten Alkalimetall-Chlor-Batterien, die von einem Forscherteam unter der Leitung des Stanford-Chemieprofessors Hongjie Dai und des Doktoranden Guanzhou Zhu entwickelt wurden, beruhen auf der chemischen Umwandlung von Natriumchlorid oder Lithiumchlorid in Chlor. Sie haben einen funktionierenden Prototyp einer Natrium-Metall-Chlor-Münzbatterie entwickelt, um ihr Konzept zu beweisen.
Wenn Elektronen von einer Seite einer wiederaufladbaren Batterie auf die andere wandern, wird die Chemie beim Aufladen wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt, um auf eine weitere Verwendung zu warten. Nicht wiederaufladbare Batterien haben dieses Glück nicht. Einmal entleert, kann ihre Chemie nicht wiederhergestellt werden.
"Eine wiederaufladbare Batterie ist ein bisschen wie ein Schaukelstuhl. Er kippt in eine Richtung, schaukelt aber zurück, wenn man Strom zuführt", erklärt Dai. "Was wir hier haben, ist ein hoch schaukelnder Schaukelstuhl".
Zufällige Entdeckung
Der Grund dafür, dass bisher noch niemand eine leistungsstarke wiederaufladbare Natrium-Chlor- oder Lithium-Chlor-Batterie entwickelt hat, liegt darin, dass Chlor zu reaktiv ist und sich nur schwer mit hohem Wirkungsgrad in ein Chlorid zurückverwandeln lässt. In den wenigen Fällen, in denen es anderen gelang, einen gewissen Grad an Wiederaufladbarkeit zu erreichen, erwies sich die Batterieleistung als schlecht.
Eigentlich wollten Dai und Zhu gar keine wiederaufladbare Natrium- und Lithium-Chlor-Batterie entwickeln, sondern lediglich ihre bestehenden Batterietechnologien mit Thionylchlorid verbessern. Diese Chemikalie ist einer der Hauptbestandteile von Lithium-Thionylchlorid-Batterien, einer beliebten Art von Einwegbatterien, die in den 1970er Jahren erfunden wurden.
Bei einem ihrer ersten Experimente mit Chlor und Natriumchlorid stellten die Stanford-Forscher jedoch fest, dass sich die Umwandlung der einen Chemikalie in eine andere irgendwie stabilisiert hatte, was zu einer gewissen Wiederaufladbarkeit führte. "Ich hätte es nicht für möglich gehalten", sagte Dai. "Es dauerte mindestens ein Jahr, bis wir wirklich begriffen, was da vor sich ging.
In den folgenden Jahren erforschte das Team die reversiblen chemischen Prozesse und suchte nach Möglichkeiten, die Effizienz zu steigern, indem es mit vielen verschiedenen Materialien für die positive Elektrode der Batterie experimentierte. Der große Durchbruch gelang ihnen, als sie die Elektrode mit einem fortschrittlichen porösen Kohlenstoffmaterial von Professor Yuan-Yao Li und seinem Studenten Hung-Chun Tai von der National Chung Cheng University in Taiwan herstellten. Das Kohlenstoffmaterial hat eine Nanosphärenstruktur, die mit vielen winzigen Poren gefüllt ist. In der Praxis wirken diese Hohlkugeln wie ein Schwamm, der große Mengen von ansonsten empfindlichen Chlormolekülen aufsaugt und sie für eine spätere Umwandlung in Salz im Inneren der Mikroporen speichert.
"Das Chlormolekül wird in den winzigen Poren der Kohlenstoff-Nanokugeln eingeschlossen und geschützt, wenn die Batterie geladen wird", erklärt Zhu. "Wenn die Batterie dann entladen werden muss, können wir die Batterie entladen und das Chlor in NaCl - Kochsalz - umwandeln und diesen Prozess über viele Zyklen hinweg wiederholen. Derzeit können wir bis zu 200 Zyklen durchführen, und es gibt noch Raum für Verbesserungen.
Das Ergebnis ist ein Schritt in Richtung des Königs der Batterieentwicklung - hohe Energiedichte. Die Forscher haben bisher 1.200 Milliamperestunden pro Gramm des positiven Elektrodenmaterials erreicht, während die Kapazität kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien heute bei bis zu 200 Milliamperestunden pro Gramm liegt. "Unsere hat eine mindestens sechsmal höhere Kapazität", sagte Zhu.
Die Forscher können sich vorstellen, dass ihre Batterien eines Tages in Situationen eingesetzt werden, in denen ein häufiges Aufladen nicht praktikabel oder wünschenswert ist, wie z. B. in Satelliten oder Fernsensoren. Viele ansonsten brauchbare Satelliten schweben derzeit in der Umlaufbahn und sind aufgrund ihrer leeren Batterien überflüssig. Künftige Satelliten, die mit langlebigen wiederaufladbaren Batterien ausgestattet sind, könnten mit Solarladegeräten versehen werden, wodurch sich ihre Nutzungsdauer um ein Vielfaches verlängert.
Der Prototyp, den die Forscher entwickelt haben, könnte jedoch auch für kleine, alltägliche Elektronikgeräte wie Hörgeräte oder Fernbedienungen verwendet werden. Für den Einsatz in der Unterhaltungselektronik oder in Elektrofahrzeugen muss noch viel mehr getan werden, um die Batteriestruktur zu entwickeln, die Energiedichte zu erhöhen, die Batterien zu vergrößern und die Anzahl der Zyklen zu erhöhen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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