Um neue Akkus zu entwickeln, die für Elektrofahrzeuge, mobile Geräte und die Speicherung erneuerbarer Energien benötigt werden, haben Forscher neue Materialien, neue Designs, neue Konfigurationen und neue Chemikalien erforscht. Doch ein Aspekt – die Beschaffenheit der verwendeten Metalle – wurde in der Vergangenheit wenig beachtet.
Laut Shirley Meng von der Universität Chicago haben weiche Metalle hervorragende Eigenschaften als negative Elektroden, wobei Lithium als ultimatives Anodenmaterial für künftige wiederaufladbare Hochenergieakkus gilt. Allerdings gab es eine Lücke im Verständnis der Kornorientierung, auch bekannt als Textur, und wie sich dieser Faktor auf die Leistung der wiederaufladbaren Metallakkus auswirkt. Demnach ist die ideale Textur für eine Batterieanode eine, bei der sich die Atome schnell entlang der Oberflächenebene bewegen können. Diese schnelle Bewegung hilft dem Akku, sich schneller zu laden und zu entladen.
10x für Festkörperbatterien
Da Batterien mit Lithium- oder Natriummetall auf diese Texturen angewiesen sind, um die gewünschte Leistung zu erbringen, fragte sich das Team, ob sich durch eine Veränderung der Textur von Weichmetallen die Energiedichte verbessern ließe. Eine neue Arbeit von Mengs Labor für Energiespeicherung und -umwandlung und dem Industriepartner Thermo Fisher Scientific zeigte, dass Unterschiede in der Oberflächenenergie von Weichmetallen die Art und Weise, wie sie strukturiert sind, stark verändern können. Das bedeutet, dass eine verbesserte Metallstruktur die Leistung von Akkus erheblich verbessert. Die Forscher haben herausgefunden, dass das Hinzufügen einer dünnen Siliziumschicht zwischen dem Lithiummetall und dem Stromkollektor dazu beiträgt, die gewünschte Textur zu erzeugen. Durch diese Änderung konnte die Leistungsfähigkeit der Batterie bei Festkörperbatterien mit Lithiummetall um fast das Zehnfache gesteigert werden. Die Arbeit wurde kürzlich in der Zeitschrift Joule veröffentlicht.
Das Team ist eine Partnerschaft mit dem Frontier Research Laboratory von LG Energy Solution eingegangen, das sich um die Vermarktung der Technologie kümmern wird. Die nächste Herausforderung für die Forscher besteht darin, den bei den Tests verwendeten Druck von fünf Megapascal auf ein Megapascal zu senken, dem derzeitigen Industriestandard für kommerziell erhältliche Batterien. Außerdem wollen sie die Auswirkungen der Textur auf Natrium untersuchen, das Meng seit langem als kostengünstige, leicht verfügbare Alternative zu Lithium untersucht.
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Bild: John Zich
