Forscher der University of Texas haben die ersten Festkörperbatteriezellen entwickelt, die fünfmal so viel Strom speichern können wie die derzeitige Lithium-Ionen-Batterie.
An der Spitze dieser Forschung steht John Goodenough, Miterfinder der Lithium-Ionen-Batterie und Professor an der Cockrell School of Engineering der University of Texas, Austin. Goodenough hat sich mit Maria Helena Braga, Physikerin und Kollegin an der Cockrell School of Engineering, zusammengetan, um eine revolutionäre, kostengünstige Batterie zu entwickeln, die genug Energie speichern kann, um Häuser, Boote und ein rein elektrisches Straßenfahrzeug zu betreiben Priorität.
Die ursprüngliche Lithium-Ionen-Batterie wurde in 1980 erstellt und verwendet flüssige Elektrolyte, die als Gefäß für Lithiumionen dienen, die vom negativ geladenen Anodenende der Batterie zum positiv geladenen Kathodenende wandern. Die flüssigen Elektrolyte begrenzen die Batterielebensdauer und führen zur Bildung von Dendriten, die bei einem Kurzschluss der Batterie zu Bränden oder Explosionen führen können. Die neue Batterie von Goodenough verwendet Festglaselektrolyte, die die Effizienz verbessern, eine längere Batterielebensdauer ermöglichen und die Bildung von Dendriten blockieren.
Nachdem sich 37 jahrelang auf die ursprüngliche Lithium-Ionen-Batterie verlassen hatte, stehen viele Wissenschaftler auf dem Gebiet Goodenoughs Neuentdeckung skeptisch gegenüber. Einige Wissenschaftler glauben, dass es das erste Gesetz der Thermodynamik verletzt. Dan Steingart, Professor für Maschinenbau in Princeton, geht so weit wie sagen, "Alles, was ich über Chemie und Thermodynamik verstehe, sagt, dass dies unmöglich ist." Für seine Zweifler erwidert Goodenough: "Die Skeptiker verstehen die Eigenschaften eines Elektroden- / Elektrolyt-Heteroübergangs nicht."
Das Universitätsnetzwerk sprach mit Goodenough über die Ursprünge seiner Idee, die Umweltvorteile der Batterie und die Gültigkeit der Behauptungen seiner Skeptiker.
TUN: Wo / wann ist die Idee zu diesem Produkt entstanden? Haben Sie das seit der Erfindung des Lithium-Ionen-Akkus im Sinn?
Gut genug: Der Lithium-Ionen-Akku Ihres Mobiltelefons ist von seinem flüssigen Elektrolyten geplagt. es ist (a) entzündlich, was Sicherheitsbedenken aufwirft, (b) ist reduziert bei Kontakt mit metallischem Lithium, wodurch die Lebensdauer des Lade- / Entladezyklus begrenzt wird, (c) mit einer Kathodenspannung gegenüber Lithium oxidiert wird, die größer als 4.3 V ist, (d) Lithium auf einer Kohlenstoffanode plattiert, wenn es zu schnell geladen wird, und galvanisiert Der Gehalt an metallischem Lithium aus dem flüssigen Elektrolyten kann zu Lithium-Whiskern (Dendriten) führen, die bei wiederholten Ladungen über den Elektrolyten zur Kathode wachsen und einen internen Kurzschluss verursachen, der ein thermisches Durchgehen und eine Entzündung des Elektrolyten verursacht. Die Lösung für dieses Problem besteht darin, einen festen Elektrolyten zu finden, aus dem metallisches Lithium dendritenfrei plattiert werden kann und der bei Kontakt mit metallischem Lithium nicht reduziert wird. Herkömmliche Polymer- und Keramikelektrolyte weisen jedoch eine zu geringe Alkalikationenleitfähigkeit auf, um mit dem flüssigen Elektrolyten zu konkurrieren. Unsere erste Aufgabe bestand darin, herauszufinden, wie eine dendritenfreie Metall-Lithium-Anode aus einem flüssigen, polymeren und / oder festen Elektrolyten plattiert werden kann. Ich hatte dieses Problem gerade gelöst, als Professorin Maria Helena Braga aus Porto, Portugal, mir ein bemerkenswertes Glas brachte, das sie vorbereitet hatte. Ihr Glas transportiert nicht nur Alkalikationen bei Raumtemperatur fast so schnell wie der flüssige Elektrolyt, sondern es enthält auch eine hohe Dielektrizitätskonstante, die auf das Vorhandensein elektrischer Dipole hinweist. Wir haben schnell gezeigt, dass eine dendritenfreie Lithiumanode für viele tausend Lade- / Entladezyklen schnell reversibel plattiert / abgestreift werden kann. Wir haben auch gezeigt, dass wir Lithium reversibel von der Anode zu einem Kupferkathodenstromkollektor mit einer Spannung von 3 V galvanisieren können.
TUN: Können Sie die Umweltvorteile der neuen Batterie näher erläutern? Wie nah könnte uns diese Batterie an unser Ziel der Nachhaltigkeit bringen?
Gut genug: Kommerzielle Batterien mit dieser Technologie müssen von Batterieunternehmen entwickelt werden, die bereit sind, die Technologie zu lizenzieren. Wir glauben, dass praktische Produkte innerhalb von 3-Jahren auf dem Markt sein können, aber die Entwicklung muss von der Industrie durchgeführt werden. Unser erstes Ziel, von dem wir glauben, dass es erreichbar ist, wird eine Batterie sein, die ein rein elektrisches Straßenfahrzeug mit einer Leistung, Kosten und Bequemlichkeit antreibt, die mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor konkurrenzfähig ist. Diese Entwicklung würde die verteilten Luftverschmutzungsstädte beseitigen und zur globalen Erwärmung beitragen. Darüber hinaus könnten diese Batterien auch den von Windmühlen und Photovoltaikzellen erzeugten Strom für das Stromnetz speichern, wodurch unsere nicht nachhaltige Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen für unsere Energie erheblich verringert würde.
TUN: Wenn es ein fertiges Produkt und sichtbare Ergebnisse gibt, haben die Behauptungen Ihrer Skeptiker Gültigkeit?
Gut genug: Die Skeptiker verstehen die Eigenschaften eines Elektroden- / Elektrolyt-Heteroübergangs nicht, aber sie haben Recht, dass die Dicke eines plattierten Lithiums auf einem Kathodenstromkollektor begrenzt ist, so dass Kathoden mit großer Energiedichte auf dünne Filme auf einer großen Oberfläche beschränkt sind innerhalb eines kleinen Volumens. Wir haben jedoch auch eine Hochspannungszelle demonstriert (die noch veröffentlicht werden muss), die eine herkömmliche reversible Insertion des Arbeitskations in einen Oxidwirt verwendet und eine Zellenspannung von bis zu 5 V und eine lange Lade- / Entladedauer bereitstellt Lebensdauer.
