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Ein neuer Ansatz für wiederaufladbare Batterien
Jul 04, 2018

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Neue Metall-Mesh-Membran könnte langjährige Probleme lösen und zu einer kostengünstigen Energiespeicherung führen.

 

Ein Batterietyp, der vor fast fünf Jahrzehnten erfunden wurde, könnte sich dank einer neuen Entdeckung von Forschern am MIT in die Spitzenposition der Energiespeichertechnologie katapultieren. Die Batterie, die auf Elektroden aus Natrium- und Nickelchlorid basiert und eine neue Art von Metallgittermembran verwendet, könnte für Netzinstallationen verwendet werden, um intermittierende Stromquellen wie Wind- und Solarenergie herzustellen, die in der Lage sind, eine zuverlässige Grundlast zu liefern.

 

Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift Nature Energy von einem Team unter der Leitung des MIT-Professors Donald Sadoway, den Postdocs Huayi Yin und Brice Chung und vier weiteren berichtet.

 

Obwohl die grundlegende Batteriechemie, die auf einem flüssigen Natriumelektrodenmaterial beruhte, 1968 erstmals beschrieben wurde, hat sich das Konzept wegen eines wesentlichen Nachteils nie als praktischer Ansatz durchgesetzt: Es erforderte die Verwendung einer dünnen Membran, um seine Schmelze zu trennen Komponenten und das einzige bekannte Material mit den erforderlichen Eigenschaften für diese Membran war eine spröde und zerbrechliche Keramik. Diese hauchdünnen Membranen machten die Batterien unter realen Betriebsbedingungen zu leicht beschädigt, so dass das System bis auf wenige spezialisierte industrielle Anwendungen noch nie umfassend eingesetzt wurde.

 

Sadoway und sein Team gingen jedoch einen anderen Weg und erkannten, dass die Membranfunktionen stattdessen durch ein speziell beschichtetes Metallgeflecht ausgeführt werden können, ein viel stärkeres und flexibleres Material, das den Belastungen in industriellen Speichersystemen standhält .

" Ich halte dies für einen Durchbruch ", sagt Sadoway, denn zum ersten Mal in fünf Jahrzehnten ist diese Art von Batterie - deren Vorteile billige, reichlich vorhandene Rohstoffe, sehr sichere Betriebseigenschaften und die Fähigkeit, viele Lade-Entlade-Zyklen zu durchlaufen ohne Degradierung - könnte endlich praktisch werden.

 

Während einige Unternehmen weiterhin Flüssignatriumbatterien für spezielle Anwendungen herstellen, "wurden die Kosten wegen der Zerbrechlichkeit der Keramikmembranen hoch gehalten ", sagt Sadoway, der John F. Elliott Professor für Materialchemie. " Niemand konnte diesen Prozess wirklich funktionieren lassen ", einschließlich GE, der fast 10 Jahre an der Technologie gearbeitet hat, bevor er das Projekt aufgegeben hat.

 

Als Sadoway und sein Team verschiedene Optionen für die verschiedenen Komponenten in einer Batterie auf der Basis von geschmolzenem Metall erkundeten, waren sie von den Ergebnissen eines ihrer Tests mit Bleiverbindungen überrascht. " Wir öffneten die Zelle und fanden Tröpfchen " in der Testkammer, " die hätten Tröpfchen geschmolzenen Bleis sein müssen " , sagt er. Aber statt wie erwartet als Membran wirkte das Verbundmaterial " als Elektrode " und nahm aktiv an der elektrochemischen Reaktion der Batterie teil .

 

" Das hat uns die Augen für eine völlig andere Technologie geöffnet " , sagt er. Die Membran hatte ihre Aufgabe erfüllt - selektiv bestimmte Moleküle durchzulassen, während andere blockiert wurden - auf eine völlig andere Art und Weise, indem sie ihre elektrischen Eigenschaften anstelle der typischen mechanischen Sortierung basierend auf den Porengrößen im Material verwendete.

 

Am Ende, nach dem Experimentieren mit verschiedenen Verbindungen, fand das Team heraus, dass ein gewöhnliches Stahlgeflecht, das mit einer Lösung von Titannitrid beschichtet war, alle Funktionen der zuvor verwendeten keramischen Membranen erfüllen konnte, jedoch ohne die Sprödigkeit und Zerbrechlichkeit. Die Ergebnisse könnten eine ganze Familie von kostengünstigen und haltbaren Materialien ermöglichen, die für wiederaufladbare Batterien in großem Maßstab praktisch sind.

 

Die Verwendung des neuen Membrantyps kann auf eine Vielzahl von chemischen Zusammensetzungen für geschmolzene Elektroden angewendet werden, sagt er und eröffnet neue Wege für das Batteriedesign. " Die Tatsache, dass man eine Natrium-Schwefel-Batterie oder eine Natrium / Nickel-Chlorid-Batterie bauen kann, ohne auf zerbrechliche, spröde Keramik zurückgreifen zu müssen , ändert alles " , sagt er.

 

Die Arbeit könnte zu kostengünstigen Batterien führen, die groß genug sind, um intermittierende, erneuerbare Energiequellen für die Speicherung im Rastermaßstab praktisch zu machen, und dieselbe zugrunde liegende Technologie könnte auch andere Anwendungen haben, wie für einige Arten der Metallproduktion, sagt Sadoway.

 

Sadoway warnt, dass solche Batterien für einige wichtige Anwendungen, wie Autos oder Telefone, nicht geeignet wären. Ihre Stärke liegt in großen, fest installierten Anlagen, bei denen die Kosten im Vordergrund stehen, nicht aber bei Größe und Gewicht, wie bei der Lastverteilung im Versorgungsbereich. Bei diesen Anwendungen könnte die kostengünstige Batterietechnologie potenziell einen viel größeren Anteil intermittierender erneuerbarer Energiequellen an die Stelle der immer verfügbaren Stromquellen stellen, die heute von fossilen Brennstoffen dominiert werden.

 

Das Forschungsteam bestand aus Fei Chen, einem Gastwissenschaftler der Wuhan University of Technology; Nobuyuki Tanaka, ein Gastwissenschaftler der japanischen Atomenergiebehörde; MIT-Forscher Takanari Ouchi; und Postdocs Huayi Yin, Brice Chung und Ji Zhao. Die Arbeit wurde von der französischen Ölgesellschaft Total SA über die MIT Energy Initiative unterstützt.