Beheben von drei Defekten der Lithium-Ionen-Batterie durch eine neue Festkörperbatterie

Die erste Vollbatterie wurde von einem Team von Ingenieuren unter der Leitung des 94-jährigen John Goodenough, Professor an der Austin School of Engineering der Texas University und einer der Erfinder von Lithiumbatterien, entwickelt. Das sicherere, schnellere Laden und die längere Lebensdauer von Akkus bieten neue Optionen für Smartphones, Elektroautos und Energiespeicher.

John Goodenough, einer der Erfinder von Lithiumbatterien, in seinem Labor für Batteriematerialien: Cochrane Engineering College

Goodenough gelang zusammen mit Maria Helena Braga, einer leitenden Forscherin am Cochrane College, der Durchbruch. Die Vorteile der von ihnen entwickelten kostengünstigen Vollfestbatterie sind: Nicht nur kein Verbrennungsrisiko, sondern auch lange Lebensdauer, hohe Volumenenergiedichte sowie schnelle Lade- und Entladeleistung. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Energy and the Environment veröffentlicht.

"Kosten, Sicherheit, Energiedichte, Lade- und Entladeraten und Lebensdauer sind wichtige Faktoren, die bestimmen, ob Elektrofahrzeuge von der Öffentlichkeit akzeptiert werden können. Wir glauben, dass dieses Ergebnis viele der Probleme gelöst hat, mit denen die Batterie heute konfrontiert ist", sagte Goodenough.

Die Forscher zeigten, dass die Energiedichte der neuen Batterie dreimal so hoch ist wie die der heutigen Lithiumbatterien. Bei einem Elektroauto bestimmt die Energiedichte der Batterie die Laufleistung. Je höher die Energiedichte der Batterie ist, desto weiter kann das Auto nach jeder Ladung fahren. Diese neue Batterieformel erhöht auch die Lade- und Entladezeiten der Batterie, was wiederum die Lebensdauer der Batterie verlängert. Außerdem lädt sich der neue Akku schneller auf (innerhalb von Minuten sind es nicht mehr die üblichen Stunden).

Heutige Lithiumbatterien verwenden flüssige Elektrolyte, um Lithiumionen von der Anode (der negativen Elektrode der Batterie) zur Kathode (der positiven Elektrode der Batterie) zu übertragen. Wenn die Batterie zu schnell aufgeladen wird, bilden sich Dendriten, auch als "Metallwhisker" bezeichnet, in der Batterie und dringen in den flüssigen Elektrolyten ein, um einen Kurzschluss zu bilden, der eine Explosion oder einen Brand verursachen kann. Nach dem Verzicht auf flüssige Elektrolyte verwendeten die Forscher einen Glaselektrolyten, der es den Forschern ermöglichte, Alkalimetalle als Elektroden ohne dendritische Bildung zu verwenden.

In herkömmlichen Batterien können Alkalimetalle (Lithium, Natrium, Kalium) nicht als Elektroden verwendet werden. Bei Vollfestbatterien erhöhen Alkalimetallelektroden jedoch die Energiedichte der Kathode und verlängern auch die Lebensdauer der Batterie. Forscher im Labor beobachteten, dass der Akku mehr als 1.200 Mal geladen und entladen werden kann, ohne einen niedrigen Trogwiderstand aufrechtzuerhalten.

Da der Elektrolyt der Festkörperbatterie eine hohe Leitfähigkeit bei minus 20 Grad Celsius aufrechterhalten kann, kann das Auto, das diese Batterie verwendet, auch in einer Umgebung unter Null normal arbeiten. Diese solide Batterie kann auch bei minus 60 Grad Celsius arbeiten.

Kraga, ein leitender Forscher am Cochrane College, begann an der Universität von Porto in Portugal mit der Entwicklung von Festkörperelektrolytbatterien. Vor zwei Jahren begann sie mit Professor Goodenough, einem Forscher an der Universität von Austin, Andrew J. Murchison, an dem Projekt zu arbeiten. Braga enthüllte auch, dass es Professor Goodenoughs Verständnis der Zusammensetzung und Natur von Festglaselektrolyten war, das die Anwendung auf Batterien ermöglichte, eine Technologie, die vom Technology Commercialization Office der University of Austin patentiert wurde.

Der Glaselektrolyt ermöglicht es Forschern, Alkalimetalle an Anode und Kathode zu galvanisieren, ohne sich um die Bildung von Dendriten sorgen zu müssen, und vereinfacht auch den Batterieherstellungsprozess.

Ein weiterer Vorteil dieser Batterie ist, dass das Herstellungsmaterial die Umwelt nicht beeinträchtigt. "Glaselektrolyte können Lithium durch Natrium ersetzen, das im Meerwasser weit verbreitet und leicht verfügbar ist", sagte Braga.

Professor Goodenough und Graga setzen ihre Batterieforschung und Patentanmeldungen fort. Als nächstes hoffen sie, mit Batterieherstellern zusammenzuarbeiten, um neue Batterien für Elektrofahrzeuge und Energiespeicher zu entwickeln und zu testen.

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