Entwicklung besserer Batterieelektrolyte
Künstliche Intelligenz und robotergestützte Labore könnten die Suche nach besseren Batteriematerialien beschleunigen
Ein Blick in die Zukunft der Batteriematerialien. Die Entwicklung einer Batterie ist ein dreiteiliger Prozess. Man braucht eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und - ganz wichtig - einen Elektrolyten, der mit beiden Elektroden zusammenarbeitet.
Symbolbild
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Ein Elektrolyt ist die Batteriekomponente, die Ionen - ladungstragende Teilchen - zwischen den beiden Elektroden der Batterie hin und her transportiert, wodurch die Batterie geladen und entladen wird. Bei den heutigen Lithium-Ionen-Batterien ist die Elektrolytchemie relativ gut definiert. Für künftige Generationen von Batterien, die weltweit und am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) entwickelt werden, ist die Frage des Elektrolytdesigns jedoch völlig offen.
"Wir sind zwar auf ein bestimmtes Elektrolytkonzept festgelegt, das mit den heutigen kommerziellen Batterien funktioniert, aber für Lithium-Ionen-Batterien, die über diese hinausgehen, wird die Entwicklung anderer Elektrolyte von entscheidender Bedeutung sein", so Shirley Meng, leitende Wissenschaftlerin am Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science (ACCESS) und Professorin für Molekulartechnik an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago. Die Entwicklung von Elektrolyten ist ein Schlüssel zu den Fortschritten, die wir erzielen werden, um diese billigeren, langlebigeren und leistungsfähigeren Batterien Wirklichkeit werden zu lassen und einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur weiteren Dekarbonisierung unserer Wirtschaft zu machen."
In einer neuen Arbeit, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, haben Meng und seine Kollegen ihre Vision für die Entwicklung von Elektrolyten für zukünftige Generationen von Batterien dargelegt.
Selbst relativ kleine Abweichungen von den heutigen Batterien erfordern laut Meng ein Umdenken beim Elektrolytdesign. Die Umstellung von einem nickelhaltigen Oxid auf ein schwefelbasiertes Material als Hauptbestandteil der positiven Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie könnte erhebliche Leistungsvorteile bringen und die Kosten senken, wenn die Wissenschaftler herausfinden, wie sie den Elektrolyten umgestalten können, sagte sie.
Bei anderen Batterietypen, die über Lithium-Ionen-Batterien hinausgehen, wie z. B. wiederaufladbare Natrium-Ionen- oder Lithium-Sauerstoff-Batterien, müssen sich die Wissenschaftler in ähnlicher Weise intensiv mit der Frage des Elektrolyten befassen.
Ein wichtiger Faktor, den die Wissenschaftler bei der Entwicklung neuer Elektrolyte berücksichtigen, ist die Tendenz zur Bildung einer Zwischenschicht, der so genannten Interphase, die die Reaktivität der Elektroden nutzt. Interphasen sind für das Funktionieren einer Batterie von entscheidender Bedeutung, weil sie steuern, wie die selektiven Ionen in die Elektroden hinein und aus ihnen heraus fließen", so Meng. Die Interphasen funktionieren wie ein Tor zum Rest der Batterie; wenn das Tor nicht richtig funktioniert, funktioniert auch der selektive Transport nicht."
Das kurzfristige Ziel besteht laut dem Team darin, Elektrolyte mit den richtigen chemischen und elektrochemischen Eigenschaften zu entwickeln, um die optimale Bildung von Interphasen sowohl an der positiven als auch an der negativen Elektrode der Batterie zu ermöglichen. Letztendlich glauben die Forscher jedoch, dass sie in der Lage sein könnten, eine Gruppe von Festelektrolyten zu entwickeln, die bei extremen (sowohl hohen als auch niedrigen) Temperaturen stabil sind und Batterien mit hoher Energie eine viel längere Lebensdauer ermöglichen.
"Ein Festkörperelektrolyt für eine Festkörperbatterie wäre ein entscheidender Schritt", sagte Venkat Srinivasan, Direktor von ACCESS, stellvertretender Direktor des Joint Center for Energy Storage Research und Mitautor der Studie. Der Schlüssel zu einer Festkörperbatterie ist eine Metallanode, deren Leistung derzeit jedoch durch die Bildung nadelartiger Strukturen, so genannter Dendriten, begrenzt ist, die die Batterie kurzschließen können. Wenn wir einen festen Elektrolyten finden, der die Bildung von Dendriten verhindert oder hemmt, können wir vielleicht die Vorteile einiger wirklich spannender Batteriechemien nutzen.
Um die Suche nach bahnbrechenden Elektrolyten zu beschleunigen, nutzen die Wissenschaftler die Möglichkeiten der fortgeschrittenen Charakterisierung und der künstlichen Intelligenz (KI), um auf digitalem Wege viele weitere mögliche Kandidaten zu durchsuchen und so den bisher langsamen und mühsamen Prozess der Laborsynthese zu beschleunigen. Hochleistungscomputer und künstliche Intelligenz ermöglichen es uns, die besten Deskriptoren und Eigenschaften zu identifizieren, die eine maßgeschneiderte Entwicklung verschiedener Elektrolyte für bestimmte Anwendungen ermöglichen", so Meng. Anstatt ein paar Dutzend Elektrolytmöglichkeiten pro Jahr im Labor zu untersuchen, betrachten wir mit Hilfe von Berechnungen viele Tausende.
"Bei Elektrolyten gibt es Milliarden möglicher Kombinationen von Komponenten - Salze, Lösungsmittel und Zusatzstoffe - mit denen wir spielen können", sagte Srinivasan. Um diese Zahl in etwas Überschaubares zu verwandeln, fangen wir an, die Macht der KI, des maschinellen Lernens und der automatisierten Labore zu nutzen."
Die automatisierten Labors, auf die sich Srinivasan bezog, werden ein robotergesteuertes Experimentiersystem beinhalten. Auf diese Weise können Maschinen selbstständig immer feinere und kalibrierte Experimente durchführen, um schließlich zu bestimmen, welche Kombination von Komponenten den perfekten Elektrolyten bildet. Automatisierte Entdeckungen können die Leistungsfähigkeit unserer Forschung dramatisch steigern, da Maschinen rund um die Uhr arbeiten können und das Potenzial für menschliche Fehler verringern", sagte er.
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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