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Neue Generation von Batterien könnte besser Luftdrohnen, Unterwasserroboter
May 02, 2018

Neue Generation von Batterien könnte besser Luft Drohnen, Unterwasser-Roboter

 

Quelle: ChemistryTechnology doi: 10.1126 / science.aat5327

Forscher bei Oxis Energy, einem Startup-Unternehmen in Abingdon, Großbritannien, bauen Batterien mit einer Kombination aus Lithium und Schwefel, die fast doppelt so viel Energie pro Kilogramm speichern wie die Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos heute. Die Batterien halten nicht sehr lange und entladen sich nach etwa 100 Ladezyklen. Aber das Unternehmen hofft, dass für Anwendungen wie Luftdrohnen, Unterwasserfahrzeuge und Kraftpakete, die von Soldaten geschultert werden könnten, Gewicht wichtiger ist als Preis oder Langlebigkeit. Oxis 'kleine Pilotfabrik zielt auf eine jährliche Produktion von 10.000 bis 20.000 Batterien ab, die in dünnen Beuteln von der Größe von Mobiltelefonen sitzen.

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Das Gigafactory ist das nicht - zumindest noch nicht. David Ainsworth, Chief Technology Officer, sagt jedoch, dass das Unternehmen einen weitaus größeren Preis im Blick hat: den 100-Milliarden-Dollar-Markt für Elektrofahrzeuge. "Die nächsten Jahre werden entscheidend sein", sagt Ainsworth. Er und andere sehen Lithium-Schwefel als Erbe von Lithium-Ionen als dominierende Batterietechnologie.

Sie werden durch eine Reihe von jüngsten Berichten ermutigt, die darauf hindeuten, dass viele der Herausforderungen in Bezug auf Leistung und Haltbarkeit der Technologie überwunden werden können. "Sie sehen Fortschritte an einer Reihe von Fronten", sagt Brett Helms, ein Chemiker am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien. Andere, wie Linda Nazar, Chemikerin und Lithium-Schwefel-Pionierin an der University of Waterloo in Kanada, bleiben vorsichtig. "Es ist eine wirklich große Aufgabe", Lithium-Schwefel-Batterien mit hoher Kapazität herzustellen, die billig, leicht, klein und sicher sind, sagt sie. Einen Faktor zu verbessern, fügt sie hinzu, kommt oft auf Kosten anderer. "Sie können nicht alle gleichzeitig optimieren."

Lithium-Ionen-Batterien enthalten zwei Elektroden - eine Anode und eine Kathode -, die durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt sind, der Lithiumionen während Ladezyklen hin und her bewegen kann. An der Anode sind Lithiumatome zwischen Graphitschichten eingekeilt, eine hochleitfähige Art von Kohlenstoff. Wenn die Batterie entladen wird, geben die Lithiumatome Elektronen ab und erzeugen einen Strom. Die resultierenden positiv geladenen Lithiumionen wandern in den Elektrolyten. Nach dem Einschalten von einem Mobiltelefon zu einem Tesla, werden die Elektronen an der Kathode, die typischerweise aus einer Mischung verschiedener Metalloxide besteht, zurückgeworfen. Hier kuscheln sich die positiven Lithiumionen im Elektrolyten neben Metallatomen ein, die die wandernden Elektronen aufgenommen haben. Die Ladung kehrt diese molekulare Umordnung um, wenn eine externe Spannung die Lithiumionen dazu bringt, ihre metallischen Wirte abzulassen und zur Anode zurückzukehren.

Metalloxidkathoden sind zuverlässig. Aber die Metalle - typischerweise eine Kombination aus Kobalt, Nickel und Mangan - sind teuer. Und da zwei Metallatome zusammenarbeiten, um ein einzelnes Elektron zu halten, sind diese Kathoden schwer, was die Kapazität dieser Zellen auf etwa 200 Wattstunden pro Kilogramm (Wh / kg) beschränkt. Schwefel ist viel billiger, und jedes Schwefelatom kann zwei Elektronen enthalten. Theoretisch kann eine Batterie mit einer Schwefelkathode 500 Wh / kg oder mehr speichern.

Aber Schwefel ist alles andere als ein ideales Material für eine Elektrode. Für den Anfang ist es isolierend: Es wird keine Elektronen zu Lithiumionen übertragen, die von der Anode kreuzen. Das war ein Deal-Breaker bis 2009, als Forscher, angeführt von Nazar, zeigten, dass der Schwefel in einer Kathode eingebettet sein könnte, die wie die Anode aus leitfähigem Kohlenstoff bestand. Es hat funktioniert, aber es hat andere Probleme gebracht. Formen von Kohlenstoff wie Graphit sind hochporös. Dies trägt zur Gesamtgröße der Batterie bei, ohne ihre Speicherkapazität zu erhöhen, und es bedeutet, dass mehr der teuren flüssigen Elektrolyten benötigt werden, um die Poren zu füllen. Schlimmer noch, wenn Lithiumionen an Schwefelatome an der Kathode binden, reagieren sie unter Bildung löslicher Moleküle, die als Polysulfide bezeichnet werden, die wegschwimmen, die Kathode zerstören und die Anzahl der Ladezyklen begrenzen. Polysulfide können auch zur Anode wandern, wo sie weitere Schäden anrichten können.

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Jetzt kommen Fortschritte an allen Fronten. Drei Gruppen haben Fortschritte bei der Lösung von Problemen an der Kathode gemacht. Letztes Jahr zum Beispiel haben Forscher um Helms in Nature Communications berichtet, dass sie eine Kohlenstoff-Schwefel-Kathode mit einer Polymerschicht versehen haben, die die Polysulfide versiegelt und es der Batterie ermöglicht, 100 Ladezyklen zu überleben. Eine andere Gruppe, angeführt von Arumugam Manthiram an der Universität von Texas in Austin, ersetzte den Graphit in einer Kathode mit hochleitfähigem Graphen-Graphit in Schichten, die nur ein einziges Atom dick waren. Wie sie in der Ausgabe vom 12. Januar von ACS Energy Letters berichteten, enthielten die Graphenkathoden fünfmal mehr Schwefel als herkömmliche Graphite und erhöhten so die Energiespeicherung. Und vor zwei Wochen berichteten Forscher von Nanfeng Zheng, einem Chemiker an der Universität Xiamen in China, in Joule, dass sie einen ultradünnen "Separator" geschaffen hatten, indem sie eine dünne Platte aus Polypropylen mit stickstoffdotierten Kohlenstoffpartikeln bedeckten. Der Separator sitzt auf der Kathode, fängt Polysulfide ein und wandelt sie in harmlose Lithiumsulfidpartikel um. Dies erhöhte die Energieabgabe der Zellen und half ihnen, 500 Ladezyklen zu überleben.

Andere arbeiten daran, das Polysulfidproblem durch Feinabstimmung des Elektrolyten zu beheben. In der Ausgabe vom 25. Mai 2017 von ACS Central Science berichteten Nazar und ihre Kollegen, dass sie einen Elektrolyten hergestellt haben, der Lithiumionen passieren lässt, aber die Bildung von löslichen Polysulfiden verhindert.

Viele Teams zielen auch auf die Anode, um die Kombination aus Lithium und Graphit durch reines Lithiummetall zu ersetzen. Das könnte die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien auf 500 Wh / kg erhöhen - genug, um ein Auto fast 500 Kilometer zwischen den Ladungen zu fahren - und Lithium-Schwefel-Batterien noch größere Gewinne abverlangen. Bisher wurden jedoch reine Lithiumanoden durch Probleme beim Laden behindert, wenn Lithiumatome von der Kathode zurückwandern. Sie neigen dazu, sich an einer Stelle zu stapeln, wodurch stachelige Wucherungen entstehen, die die Batterie durchbohren und Kurzschlüsse und sogar Brände verursachen können. Oxis Energy und ein weiteres Batteriestartunternehmen, Sion Power in Tucson, Arizona, sagen, dass sie proprietäre Barrieren um die Anode herum entwickelt haben, die das stachelige Wachstum verhindern. Und diese Woche berichteten Wissenschaftler der Cornell University in Nature Energy, ihre Lithiumanode mit einer Zinnlegierung zu stabilisieren.

All diese Fortschritte werden helfen, Lithium-Schwefel-Batterien voranzutreiben, sagt George Crabtree, der das Joint Center for Energy Storage Research im Argonne National Laboratory in Lemont, Illinois leitet. "Es ist schwer zu sagen, ob dies der endgültige Durchbruch ist, der es schaffen wird", sagt er. "Aber ich bin optimistisch." Elektroautofahrer hoffen überall, dass er Recht hat.