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Natrium- und Kalium-basierte Batterien könnten Schlüssel für Smart Grid der Zukunft sein
Jun 27, 2018

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Von Elektroautos, die Hunderte von Meilen mit einer einzigen Ladung zurücklegen, bis hin zu Kettensägen, die so mächtig wie gasbetriebene Versionen sind, kommen jedes Jahr neue Produkte auf den Markt, die von den jüngsten Fortschritten in der Batterietechnologie profitieren.

 

Aber dieses Wachstum hat zu Befürchtungen geführt, dass die weltweite Versorgung mit Lithium , das Metall, das im Herzen vieler neuer wiederaufladbarer Batterien steckt, irgendwann erschöpft sein könnte.

 

Jetzt haben Forscher des Georgia Institute of Technology neue Beweise gefunden, die darauf hindeuten, dass Batterien auf der Basis von Natrium und Kalium eine vielversprechende Alternative zu Batterien auf Lithiumbasis darstellen.

 

"Eines der größten Hindernisse für Natrium- und Kaliumionen-Batterien besteht darin, dass sie schneller zerfallen und schlechter abgebaut werden und weniger Energie speichern als Alternativen", sagte Matthew McDowell, Assistant Professor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering und die Schule für Materialwissenschaft und Technik.

 

"Aber wir haben festgestellt, dass das nicht immer der Fall ist", fügte er hinzu.

 

Für die Studie, die am 19. Juni in der Zeitschrift Joule veröffentlicht wurde und von der National Science Foundation und dem US-Energieministerium gesponsert wurde, untersuchte das Forschungsteam, wie drei verschiedene Ionen - Lithium, Natrium und Kalium - mit Eisenpartikeln reagierten Sulfid, auch Pyrit und Narrengold genannt.

 

Während sich Batterien aufladen und entladen, reagieren die Ionen ständig mit den Partikeln, die die Batterieelektrode bilden, und dringen in sie ein. Dieser Reaktionsprozess verursacht große Volumenänderungen in den Elektrodenpartikeln und zerlegt sie oft in kleine Stücke. Da Natrium- und Kaliumionen größer als Lithium sind, wird traditionell angenommen, dass sie bei der Reaktion mit Partikeln einen signifikanteren Abbau verursachen.

 

In ihren Experimenten wurden die Reaktionen innerhalb einer Batterie direkt im Elektronenmikroskop beobachtet, wobei die Eisensulfidteilchen die Rolle einer Batterieelektrode spielten. Die Forscher fanden heraus, dass Eisensulfid während der Reaktion mit Natrium und Kalium stabiler ist als mit Lithium, was darauf hindeutet, dass eine solche Batterie, die auf Natrium oder Kalium basiert, eine viel längere Lebensdauer haben könnte als erwartet.

 

Der Unterschied zwischen der Reaktion der verschiedenen Ionen war stark visuell. Bei Kontakt mit Lithium schienen Eisensulfidteilchen unter dem Elektronenmikroskop fast zu explodieren . Im Gegensatz dazu expandierte das Eisensulfid wie ein Ballon, wenn es Natrium und Kalium ausgesetzt wurde.

 

"Wir haben eine sehr robuste Reaktion ohne Bruch gesehen - etwas, das darauf hindeutet, dass dieses Material und andere Materialien wie diese in diesen neuartigen Batterien mit größerer Stabilität im Laufe der Zeit verwendet werden könnten", sagte Matthew Böbinger, ein Student an der Georgia Tech.

 

Die Studie lässt auch Zweifel daran aufkommen, dass große Volumenänderungen, die während der elektrochemischen Reaktion auftreten, immer eine Vorstufe des Partikelbruchs sind, der ein Elektrodenversagen verursacht, das zu einer Verschlechterung der Batterie führt.


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Die Forscher schlugen vor, dass ein möglicher Grund für den Unterschied in der Reaktion der verschiedenen Ionen mit dem Eisensulfid darin besteht, dass das Lithium seine Reaktion eher entlang der scharfen würfelartigen Kanten des Partikels konzentriert, während die Reaktion mit Natrium und Kalium diffuser ist entlang der gesamten Oberfläche des Eisensulfidpartikels. Als Ergebnis entwickelten die Eisensulfidteilchen bei der Reaktion mit Natrium und Kalium eine mehr ovale Form mit abgerundeten Kanten.

 

Zwar gibt es noch mehr zu tun, aber die neuen Forschungsergebnisse könnten Wissenschaftlern helfen, Batteriesysteme zu entwickeln, die diese neuartigen Materialien verwenden.

 

"Lithium-Batterien sind immer noch die attraktivsten, weil sie die höchste Energiedichte haben - Sie können eine Menge Energie in diesen Raum packen", sagte McDowell. "Natrium- und Kaliumbatterien haben zu diesem Zeitpunkt keine höhere Dichte, aber sie basieren auf Elementen, die in der Erdkruste tausendmal häufiger vorhanden sind als Lithium. Sie könnten also in der Zukunft viel billiger sein, was für große Energiemengen wichtig ist Speicher-Backup-Strom für Haushalte oder das Energienetz der Zukunft. "