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Diese zerbrechlichen, futuristischen Batterien laufen länger mit etwas Öl
Nov 09, 2018

Diese fragilen, futuristischen Batterien laufen länger mit etwas Öl

 

Quelle: VON MARIA TEMMING 14.00 Uhr, 8. November 2018

 

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STAYIN ' ALIVE Ein neuer Typ von Aluminium-Luft-Akkus (abgebildet) verliert dank ein wenig Öl nicht so schnell wie seine Verwandten.

 

Batterien, die Aluminium und Sauerstoff verwenden, leben normalerweise schnell und sterben jung. Ein neues Design könnte jedoch dazu beitragen, dass diese Hochenergiegeräte Bestand haben.

Aluminium-Luft-Batterien sind vielversprechende Kandidaten für eine neue Generation nicht wiederaufladbarer Batterien, da sie extrem leicht und kompakt sind. Die Batterien werden jedoch nicht häufig verwendet, da sich ihre internen Komponenten schnell gegenseitig verschlechtern. In der neuen Aluminium-Luft-Anordnung, die im Nov. 9 Science beschrieben wird, wirkt Öl als Puffer zwischen den korrosiven Komponenten der Batterie, um die Haltbarkeit des Geräts erheblich zu verlängern. Solche verbesserten Einwegbatterien könnten Elektroautos mit Notstrom versorgen oder Energie in abgelegenen, netzfernen Regionen liefern.

"Dies ist ein sehr intelligentes Design", sagt Yiying Wu, ein Chemiker an der Ohio State University, der nicht an der Arbeit beteiligt ist. Das Ölpuffersystem könnte auch andere Arten von Metall-Luft-Batterien verbessern, die anfällig für Selbstkorrosion sind, wie Zink-Luft-Geräte (SN: 1/21/17, S. 22).

Jede Aluminium-Luft-Batteriezelle enthält zwei Elektroden, eine Aluminiumanode und eine Kathode, die durch eine als Elektrolyt bezeichnete Flüssigkeit getrennt sind. Aus der Luft angesaugte Sauerstoffmoleküle dringen in die Kathode ein, wo sie mit Elektronen und Aluminiumpartikeln reagieren, die den Elektrolyten von der Anode durchströmen und Energie an die Leistungselektronik abgeben. Wenn sich die Batterie im Standby-Modus befindet, frisst der wässrige Elektrolyt an der Aluminiumanode.

 

Überdenken

In einer herkömmlichen Aluminium-Luft-Batterie sind die Aluminiumanode und die Luftkathode immer durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt. Bei einer neuen Version der Batterie wird ein Elektrolyt nur zwischen den Elektroden gepumpt, wenn die Batterie ein anderes Gerät antreibt (Mitte). Wenn sich die Batterie im Standby-Modus befindet, wird Öl in den Bereich zwischen der Anode und einer Polymermembran gepumpt, um die Aluminiumoberfläche vor dem korrosiven Elektrolyten zu schützen (rechts).

Wie eine überarbeitete Aluminium-Luft-Batterie funktioniert

 

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"Es ist im Wesentlichen wie ein rostiges Werkzeug", sagt der Studienkamerad Brandon Hopkins, ein Maschinenbauingenieur am US Naval Research Laboratory in Washington, DC, der die Arbeit am MIT geleistet hat. „Wenn Sie Aluminium - oder wirklich irgendein Metall - in Wasser geben, beginnt es zu rosten und zu korrodieren.“ Infolgedessen können Aluminium-Luft-Batterien etwa 80 Prozent ihrer gespeicherten Ladung verlieren, wenn sie einen Monat lang in einem Regal sitzen.

 

Hopkins und Kollegen bauten eine haltbarere Aluminium-Luft-Vorrichtung, indem sie eine Polymermembran zwischen die Elektroden der Zelle einführten. Wenn die Batterie eine Vorrichtung mit Strom versorgt, wird Elektrolyt aus einem Behälter in die Bereiche auf beiden Seiten der Membran gepumpt. Wenn die Zelle nicht verwendet wird, wird Elektrolyt von der Seite der Membran neben der Aluminiumanode abgelassen, und Öl fließt herein, um sie zu ersetzen. Dieses Öl schützt das Aluminium vor dem Elektrolyten auf der anderen Seite der Membran. Sobald die Batterie wieder aktiviert wird, wird das Öl abgepumpt und gespeichert, und der Elektrolyt fließt zurück.

 

In Laborexperimenten verwendete das Team von Hopkins die neue Batteriezelle sowie eine Aluminium-Luft-Zelle ohne Ölpuffer für Intervalle von fünf Minuten mit Pausen von 24 oder 72 Stunden zwischen den Intervallen. Der Elektrolyt im Inneren der herkömmlichen Batterie wurde innerhalb weniger Tage durch die Aluminiumanode gefressen und die Zelle starb. Der Elektrolyt in der mit Öl ausgestatteten Batterie korrodierte die Aluminiumanode jedoch viel langsamer, und die Batterie arbeitete einige Wochen, bevor die Energie der Zelle vollständig aufgebraucht war.

 

Die Energieabgabe des Einzelzellenprototyps könnte möglicherweise erhöht werden, indem entweder eine größere Version hergestellt wird oder indem mehrere Zellen in einem Akkupack gestapelt werden. „Forscher müssen immer noch die Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit eines Akkus im Originalmaßstab untersuchen“, sagt Wu.

 

Laut Hopkins könnten solche leichten Zellen nicht nur als Notstromquelle für Elektrofahrzeuge dienen, sondern auch für Ferndrohnen. Mit Aluminium-Luft-Batterien könnten auch Militärangehörige und Zivilisten in abgelegenen Gebieten netzunabhängige Energie bereitgestellt werden.