Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Stanford University hat wiederaufladbare Batterien entwickelt, die bis zu sechsmal mehr Ladung speichern können als derzeit im Handel erhältliche.
Es könnte den Einsatz von Akkus beschleunigen und bringt Batterieforschern zwei der wichtigsten Ziele ihres Fachgebiets einen Schritt näher: einen leistungsstarken Akku zu schaffen, mit dem Handys statt täglicher und Elektrofahrzeuge nur einmal pro Woche aufgeladen werden können kann ohne Aufladen sechsmal weiterfahren.
Die neuen sogenannten Alkalimetall-Chlor-Batterien, die von einem Forscherteam um den Stanford-Chemieprofessor Hongjie Dai und Doktorand Guanzhou Zhu entwickelt wurden, beruhen auf der chemischen Hin- und Her-Umwandlung von Natriumchlorid (Na/Cl2) oder Lithiumchlorid (Li/Cl2) zu Chlor.
Wenn Elektronen von einer Seite einer wiederaufladbaren Batterie zur anderen wandern, kehrt das Aufladen die Chemie in ihren ursprünglichen Zustand zurück, um auf eine weitere Verwendung zu warten. Nicht wiederaufladbare Batterien haben dieses Glück nicht. Einmal entleert, kann ihre Chemie nicht wiederhergestellt werden.
„Ein Akku ist ein bisschen wie ein Schaukelstuhl. Es kippt in eine Richtung, kippt dann aber zurück, wenn Sie Strom hinzufügen“, erklärte Dai. „Was wir hier haben, ist ein hoher Schaukelstuhl.“
Zufällige Entdeckung
Der Grund, warum noch niemand eine leistungsstarke wiederaufladbare Natrium-Chlor- oder Lithium-Chlor-Batterie entwickelt hat, ist, dass Chlor zu reaktiv und zu schwierig ist, um es mit hoher Effizienz wieder in Chlorid umzuwandeln. In den wenigen Fällen, in denen andere eine gewisse Wiederaufladbarkeit erreichen konnten, erwies sich die Akkuleistung als schlecht.
Tatsächlich wollten Dai und Zhu überhaupt keine wiederaufladbare Natrium- und Lithium-Chlor-Batterie entwickeln, sondern lediglich ihre bestehenden Batterietechnologien mit Thionylchlorid verbessern. Diese Chemikalie ist einer der Hauptbestandteile von Lithium-Thionylchlorid-Batterien, einer beliebten Art von Einwegbatterien, die erstmals in den 1970er Jahren erfunden wurden.
Aber in einem ihrer frühen Experimente mit Chlor und Natriumchlorid stellten die Stanford-Forscher fest, dass sich die Umwandlung einer Chemikalie in eine andere irgendwie stabilisiert hatte, was zu einer gewissen Wiederaufladbarkeit führte. „Ich hätte es nicht für möglich gehalten“, sagte Dai. "Wir haben mindestens ein Jahr gebraucht, um wirklich zu realisieren, was los war."
In den nächsten Jahren klärte das Team die reversible Chemie auf und suchte nach Wegen, sie effizienter zu machen, indem es mit vielen verschiedenen Materialien für die positive Elektrode der Batterie experimentierte. Der große Durchbruch kam, als sie die Elektrode aus einem fortschrittlichen porösen Kohlenstoffmaterial von den Mitarbeitern Professor Yuan-Yao Li und seinem Studenten Hung-Chun Tai von der National Chung Cheng University of Taiwan formten. Das Kohlenstoffmaterial hat eine Nanosphärenstruktur, die mit vielen ultrakleinen Poren gefüllt ist. In der Praxis wirken diese Hohlkugeln wie ein Schwamm, der Unmengen von sonst empfindlichen Chlormolekülen aufsaugt und für die spätere Umwandlung in Salz in den Mikroporen speichert.
„Das Chlormolekül wird beim Laden der Batterie in den winzigen Poren der Kohlenstoff-Nanokügelchen gefangen und geschützt“, erklärt Zhu. „Wenn die Batterie dann entladen oder entladen werden muss, können wir die Batterie entladen und Chlor in NaCl – Kochsalz – umwandeln und diesen Vorgang über viele Zyklen wiederholen. Wir können derzeit bis zu 200 Mal radeln und es gibt noch Raum für Verbesserungen.“
Das Ergebnis ist ein Schritt in Richtung Messingring des Batteriedesigns – hohe Energiedichte. Die Forscher haben bisher 1,200 Milliamperestunden pro Gramm positives Elektrodenmaterial erreicht, während die Kapazität kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien heute bis zu 200 Milliamperestunden pro Gramm beträgt. „Unsere hat eine mindestens sechsmal höhere Kapazität“, sagte Zhu.
Die Forscher stellen sich vor, dass ihre Batterien eines Tages in Situationen eingesetzt werden, in denen häufiges Aufladen nicht praktikabel oder wünschenswert ist, beispielsweise in Satelliten oder entfernten Sensoren. Viele sonst brauchbare Satelliten schweben jetzt im Orbit, obsolet aufgrund ihrer leeren Batterien. Künftige Satelliten, die mit langlebigen Akkus ausgestattet sind, könnten mit Solarladegeräten ausgestattet werden und ihren Nutzen um ein Vielfaches erweitern.
Vorerst könnte der von ihnen entwickelte funktionierende Prototyp jedoch noch für den Einsatz in kleinen Alltagselektronik wie Hörgeräten oder Fernbedienungen geeignet sein. Für Unterhaltungselektronik oder Elektrofahrzeuge, bleibt noch viel Arbeit, um die Batteriestruktur zu entwickeln, die Energiedichte zu erhöhen, die Batterien zu skalieren und die Anzahl der Zyklen zu erhöhen.
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