22 Jahre Batterieanpassung
Nov 09, 2021 Seitenansicht：533
Die Welt braucht mehr Strom und der Strom sollte erneuerbar und sauber sein. Es sind die Lithium-Ionen-Batterien, die derzeit unsere Energiespeicherstrategien prägen, insbesondere auf dem fortschrittlichsten Stand dieser Technologie. Aber die Frage ist, worauf wir uns vor allem in den kommenden Jahren freuen können.
Batteriegrundlagen wären der beste Ausgangspunkt. Erstens ist eine Batterie einfach eine Packung einer Zelle oder mehrerer Zellen, wobei jede Zelle die Anode (eine negative Elektrode), die Kathode (eine positive Elektrode), einen Elektrolyten und einen Separator aufweist. Die Eigenschaften der Batterie, einschließlich der Anzahl der Lade- und Entladezeiten der Batterie, der Leistung, die sie bereitstellen kann und der Energie, die sie abgeben oder speichern kann, hängen davon ab, welche Chemikalien und Materialien dafür verwendet werden.
Batterieunternehmen, Institutionen und Experten auf diesem Gebiet experimentieren ständig mit dem Ziel, Chemikalien zu finden, die leistungsfähiger, dichter, leichter und billiger sind. Derzeit gibt es einige Batterietechnologien mit unvorstellbarem Transformationspotenzial. Es sind diese Technologien, die die Zukunft der Batterien halten. Es geht um eine gemeinsame Zutat, von der niemand dachte, dass ihre Zugabe einen großen Unterschied machen könnte.
Batterien der Zukunft werden billiger und besser – nur durch Zugabe von Zucker
Forscher haben gezeigt, dass sie zuversichtlich sind, einen guten Weg zur neuen Batteriegeneration gefunden zu haben. Diese Batterien könnten ein Elektrofahrzeug mit Strom versorgen, damit es mit nur einer Ladung von Melbourne nach Sydney fahren kann. Und überraschenderweise war ein Löffel Zucker die entscheidende Zutat.
Allein durch die Zugabe von Zucker konnten Forscher nun nachhaltigere, leichtere und langlebigere Konkurrenten zu den Lithium-Ionen-Batterien schaffen, die für U-Boote, Elektrofahrzeuge und die Luftfahrt unerlässlich sind.
Forscher haben berichtet, dass die Lithium-Schwefel-Technologie durch die Verwendung eines auf Glukose basierenden Additivs, insbesondere auf der positiven Elektrode, stabilisiert wurde. Wie Sie wissen, ist es die Lithium-Schwefel-Batterietechnologie, die seit langem als Basis der zukünftigen Batteriegeneration zur Schau gestellt wird. Jetzt wird es sogar noch besser.
In wenigen Jahren könnte diese Technologie tatsächlich zu Fahrzeugen führen, einschließlich Elektro-Lkw und Bussen, die ohne Aufladen von Melbourne bis nach Sydney fahren können. Diese Technologie könnte auch große Innovationen bei Landwirtschafts- und Lieferdrohnen ermöglichen, bei denen das Leichtgewicht an erster Stelle steht.
Theoretisch haben Lithium-Schwefel-Batterien das Potenzial, zwischen 2 und 5 Mal mehr Energie zu speichern, als Lithium-Ionen-Batterien der gleichen Kategorie und des gleichen Gewichts speichern könnten. Die größte Herausforderung war, dass dies nur in der Theorie war. Im Gebrauch verschlechtern sich die Elektroden der Lithium-Schwefel-Batterien jedoch schneller, und die Batterien gingen einfach kaputt.
Experten gaben dafür zwei mögliche Erklärungen. Erstens litten die positiven Schwefelelektroden stark unter erheblicher Kontraktion und Ausdehnung, wodurch sie geschwächt wurden, was sie für Lithium unzugänglich machte. Der zweite Grund ist, dass Schwefelverbindungen die negative Lithiumelektrode verunreinigt haben.
Es wurde gezeigt, dass die Struktur der Schwefelelektrode geöffnet werden könnte, um eine Expansion aufzunehmen und sie auch für Lithium leichter zugänglich zu machen.
Zucker kann nun in die netzartige Architektur der Elektrode eingearbeitet werden. Dies stabilisiert den Schwefel, wodurch verhindert wird, dass er sich über die Lithiumelektrode bewegt.
Experten haben Testzellen-Prototypen konstruiert, die eine Lade-Entlade-Lebensdauer von 1000 Zyklen und mehr haben und dennoch eine weitaus höhere Kapazität im Vergleich zu den entsprechenden Lithium-Ionen-Batterien aufweisen.
So hält jede Ladung länger und dies verlängert die Lebensdauer des Akkus. Die Herstellung der Batterien erfordert auch keine expansiven, giftigen und exotischen Materialien.
Die Befürworter dieser Technologie wurden von einem 1988 veröffentlichten geochemischen Bericht inspiriert und beschrieben, wie zuckerbasierte Substanzen starke Bindungen mit Sulfiden eingehen, um Degenerationen in geologischen Sedimenten zu widerstehen.
Natürlich sind die meisten Herausforderungen auf der Kathodenseite der Batterie durch die neue Technologie nun gelöst. Es sind jedoch noch weitere Innovationen erforderlich, um die Lithium-Metall-Anode zu schützen, damit diese großartige, vielversprechende Technologie in großem Maßstab übernommen werden kann. Die Chancen stehen gut, dass diese Innovationen gleich um die Ecke sind.
Superbatterien der Zukunft
Die Welt braucht Batterien, die sicherer zu verwenden sind, länger halten und mehr Energie speichern. Glücklicherweise gibt es bald neue Batterien, von denen erwartet wird, dass sie die Zukunft antreiben. Sie beinhalten:
NanoBolt Lithium-Wolfram-Batterien
In dieser Batterie werden Wolfram- und Kohlenstoff-beschichtete Nanoröhren hinzugefügt, die sich fest mit dem Kupferanodensubstrat verbinden, bevor sie eine netzartige Nanostruktur aufbauen. Das bildet eine riesige Oberfläche, auf der sich während der Entlade- und Aufladezyklen mehr Ionen anlagern können. Dadurch lädt sich der NanoBolt Lithium-Wolfram-Akku schneller auf und speichert auch mehr Energie.
Organosilikon-Elektrolytbatterien
Die Gefahr, dass der Elektrolyt explodiert oder sich entzündet, ist das Hauptproblem bei den lithium-batterien. Die Chemieprofessoren Robert West und Robert Hamers von der University of Wisconson-Madiso haben auf ihrer Suche nach etwas Sichererem als Ersatz für das carbonatbasierte Lösungsmittelsystem in Li-Ionen-Batterien OS (organosilicon based liquid solvents) entwickelt. Dies hat stark zu den Verbesserungen beigetragen in der Batterietechnologie Die resultierenden Elektrolyte können leicht entwickelt werden, insbesondere auf molekularer Ebene, für Verbraucher-, Militär- und Industrie-Li-Ionen-Batteriemärkte.
Zink-Mangan-Oxid-Batterien
Ein Team des Pacific Northwest National Laboratory des DOE untersuchte konventionelle Annahmen zur Funktionsweise einer Batterie. Sie waren überrascht, eine unerwartete chemische Umwandlungsreaktion in der Zink-Mangan-Oxid-Batterie zu entdecken. Ist der Prozess beherrschbar, kann dies bei den herkömmlichen Batterien zu einer Erhöhung der Energiedichte führen, ohne dass zwangsläufig Kosten anfallen. Diese Neuentwicklung versetzt die Zink-Mangan-Oxid-Batterie in die Lage, eine Alternative zu Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien zu sein, insbesondere für größere Energiespeicher zur Ergänzung des nationalen Stromnetzes.
Elektroautobatterien der Zukunft
Der Übergang zu Elektrofahrzeugen wird stark von der Entwicklung und den Technologien der Elektrofahrzeugbatterien abhängen.
Forscher rennen bereits gegen die Zeit, um einen Weg zu finden, die Menge an Metallen zu reduzieren, die für die Herstellung von EV-Batterien benötigt werden. Die Menge variiert in der Regel je nach Batterietyp und Fahrzeugmodell.
Laut verschiedener Analysten werden Lithium-Ionen-Batterien noch viele Jahre die Batterien der Wahl bleiben. Tatsächlich ist es wahrscheinlich, dass Lithium-Ionen-Batterien auch in Zukunft die dominierende Technologie bleiben werden. Die Kosten sind drastisch gesunken. Tatsächlich sind sie jetzt 30-mal billiger geworden. Es wird prognostiziert, dass ein lithium-ionen-akkupack für Elektrofahrzeuge bis 2023 unter 100 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten wird. Dadurch wird die Elektrokarte deutlich günstiger als herkömmliche Fahrzeuge.
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