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Was sind flexible Festkörperbatterien?

04 Mar, 2022

By hoppt

flexible Festkörperbatterie

Eine Gruppe internationaler Wissenschaftler hat eine neuartige Festkörperbatterie entwickelt, die die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen und Brände in Laptops und Smartphones verhindern könnte. Die Autoren beschreiben ihre Erkenntnisse in Advanced Energy Materials . Indem sie die in herkömmlichen wiederaufladbaren Batterien verwendeten flüssigen Elektrolyte durch „feste“, keramische Elektrolyte ersetzen, können sie effektivere, langlebigere Batterien herstellen, die auch sicherer in der Anwendung sind. Die Forscher hoffen, dass diese Vorteile den Weg für effizientere, umweltfreundlichere Batterien für alle Arten von Geräten einschließlich Elektroautos ebnen können.

Die Autoren der Studie aus den USA und Großbritannien untersuchen seit einiger Zeit Alternativen zu flüssigen Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien. 2016 kündigten sie die Entwicklung einer Festkörperbatterie an, die mit mehr als der doppelten Spannung herkömmlicher Lithium-Ionen-Zellen, aber mit ähnlicher Effizienz betrieben werden könnte.

Während ihr neuestes Design eine deutliche Verbesserung gegenüber dieser früheren Version darstellt, stellt der Forscher Professor Donald Sadoway vom MIT fest, dass es noch Raum für Verbesserungen gibt: „Das Erreichen einer hohen Ionenleitfähigkeit in keramischen Materialien bei erhöhten Temperaturen kann schwierig sein“, erklärte er. "Das war ein Durchbruch." Die Forscher hoffen, dass sich diese verbesserten Batterien nach Tests als geeignet für Elektrofahrzeuge oder sogar für den Antrieb von Flugzeugen erweisen werden.

Bei Festkörperbatterien werden Schäden durch Überhitzung verhindert, indem keramische Elektrolyte anstelle von brennbaren, flüssigen verwendet werden. Wenn die Batterie beschädigt ist und zu überhitzen beginnt, verkohlt der Keramikelektrolyt, anstatt sich zu entzünden, wodurch verhindert wird, dass er Feuer fängt. Die Poren in der Struktur dieser festen Materialien ermöglichen es ihnen auch, eine viel höhere Ladung an elektrischer Ladung zu tragen, wenn sich Ionen durch ein ausgedehntes Netzwerk innerhalb des Festkörpers bewegen.

Diese Merkmale bedeuten, dass Wissenschaftler sowohl die Spannung als auch die Kapazität ihrer Batterien im Vergleich zu Batterien mit brennbaren flüssigen Elektrolyten erhöhen konnten. Tatsächlich sagte Professor Sadoway: „Wir haben eine Lithium-Luft-Zelle mit 12 Volt demonstriert, die bei 90 Grad C [194 °F] betrieben wird. Das ist mehr als irgendjemand sonst erreicht hat.“

Dieses neue Batteriedesign hat weitere potenzielle Vorteile gegenüber brennbaren Elektrolyten, einschließlich der Tatsache, dass keramische Elektrolyte im Allgemeinen stabiler sind als organische. "Das Erstaunliche ist, wie gut es funktioniert hat", sagte Professor Sadoway. "Wir haben mehr Energie aus dieser Zelle herausgeholt, als wir hineingesteckt haben."

Diese Stabilität könnte es Herstellern ermöglichen, eine große Anzahl von Festkörperzellen in Laptops oder Elektroautos zu packen, ohne sich um eine Überhitzung sorgen zu müssen, was die Geräte viel sicherer macht und ihre Funktionsdauer verlängert. Wenn diese Art von Akkus überhitzen, besteht derzeit die Gefahr, dass sie Feuer fangen – wie kürzlich beim Samsung Galaxy Note 7-Telefon. Die entstehenden Flammen könnten sich nicht ausbreiten, da in den Zellen keine Luft vorhanden ist, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten. tatsächlich könnten sie sich nicht über den Ort des ursprünglichen Schadens hinaus ausbreiten.

Diese festen Materialien sind auch sehr langlebig; Im Gegensatz dazu fangen einige Versuche, Lithium-Ionen-Batterien mit brennbaren flüssigen Elektrolyten herzustellen, die bei höheren Temperaturen (über 100 °C) arbeiten, routinemäßig nach 500 oder 600 Zyklen Feuer. Die Keramikelektrolyte überstehen mehr als 7500 Lade-/Entladezyklen, ohne Feuer zu fangen."

Die neuen Erkenntnisse könnten sowohl für die Erweiterung der Reichweite von Elektrofahrzeugen als auch für die Vermeidung von Smartphone-Bränden von großer Bedeutung sein. Laut Sadoway: „Ältere Generationen von Batterien hatten Blei-Säure [Auto]-Starterbatterien. Sie hatten eine kurze Reichweite, aber sie waren unglaublich zuverlässig“, sagte er und fügte hinzu, dass ihre unvorhergesehene Schwäche darin bestand, „wenn es dann heißer als etwa 60 °C wurde es würde Feuer fangen."

Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien, erklärt er, seien noch einen Schritt weiter. „Sie haben eine große Reichweite, aber sie können durch starke Überhitzung und Feuer beschädigt werden“, sagte er und fügte hinzu, dass die neue Festkörperbatterie möglicherweise einen „grundlegenden Durchbruch“ darstellt, da sie zu weitaus zuverlässigeren und sichereren Geräten führen könnte.

Die MIT-Wissenschaftler gehen davon aus, dass es noch fünf Jahre dauern wird, bis diese Technologie flächendeckend zum Einsatz kommt, hoffen aber schon im nächsten Jahr, solche Akkus in Smartphones großer Hersteller wie Samsung oder Apple zu sehen. Sie stellten auch fest, dass es neben Telefonen viele kommerzielle Anwendungen für diese Zellen gibt, darunter Laptops und Elektrofahrzeuge.

Professor Sadoway warnt jedoch davor, dass bis zur Perfektionierung der Technologie noch einiges zu tun ist. "Wir haben eine Zelle, die wirklich ausgezeichnet aussieht, aber es ist noch sehr früh ... Wir müssen noch Zellen mit großflächigen Elektroden mit hoher Leistungsdichte herstellen."

Sadoway glaubt, dass dieser Durchbruch sofort weit verbreitet sein wird, da er nicht nur das Potenzial hat, Elektrofahrzeuge mit einer viel größeren Reichweite zu betanken, sondern möglicherweise auch Smartphone-Brände zu verhindern. Vielleicht überraschender ist seine Vorhersage, dass Festkörperbatterien in weniger als fünf Jahren universell eingesetzt werden könnten, sobald die meisten Hersteller von ihrer Sicherheit und Zuverlässigkeit überzeugt sind.

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