Ein Team der Florida State University und des Lawrence Berkeley National Laboratory hat eine neue Strategie zum Bau von Festkörperbatterien entwickelt, die weniger abhängig von bestimmten chemischen Elementen sind, insbesondere von teuren Metallen mit Lieferkettenproblemen.
Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.
Bin Ouyang, außerordentlicher Professor am Institut für Chemie und Biochemie, entwickelte die Idee für diese Arbeit, als er zusammen mit seinem Co-Erstautor Yan Zeng und ihrem Postdoc-Berater Gerbrand Ceder seine Postdoktorandenforschung an der University of California, Berkeley, beendete . In ihrer Studie zeigten sie, dass eine Mischung aus verschiedenen Festkörpermolekülen zu einer leitfähigeren Batterie führen könnte, die weniger abhängig von einer großen Menge eines einzelnen Elements ist.
„Hier gibt es kein Heldenelement“, sagte Ouyang. „Es ist ein Kollektiv verschiedener Elemente, die dafür sorgen, dass die Dinge funktionieren. Was wir herausgefunden haben, ist, dass wir dieses hochleitfähige Material erhalten können, solange sich verschiedene Elemente so zusammensetzen können, dass sich Atome schnell bewegen können. Und es gibt viele Situationen, die dazu führen können diese sogenannten Atom Diffusion Highways, egal welche Elemente sie enthalten.“
Festkörperbatterien funktionieren fast genauso wie andere Batterien – sie speichern Energie und geben sie dann an die Stromversorgung von Geräten ab. Aber anstelle von flüssigen oder polymeren Gelelektrolyten, die in Lithium-Ionen-Batterien zu finden sind, verwenden sie feste Elektroden und einen festen Elektrolyten. Dadurch kann eine höhere Energiedichte in der Batterie entstehen, da Lithiummetall als Anode verwendet werden kann. Darüber hinaus haben sie ein geringeres Brandrisiko und erhöhen möglicherweise die Laufleistung von Elektrofahrzeugen.
Viele der bisher gebauten Batterien basieren jedoch auf kritischen Metallen, die nicht in großen Mengen verfügbar sind. Einige sind überhaupt nicht in den Vereinigten Staaten zu finden. Da die USA und viele andere Länder planen, bis 2050 alle Fahrzeuge durch Elektrofahrzeuge zu ersetzen, wird die Lieferkette für kritische Metalle enorm belastet.
Das Forschungsteam erwog den direkten Weg, ein Element zu verwenden, um häufig verwendete zu ersetzen, aber dieser Ansatz warf seine eigenen Probleme in der Lieferkette auf. Stattdessen ging das Team das Problem an, indem es Materialien entwarf, die nicht an ein bestimmtes Element gebunden waren. Anstatt beispielsweise eine Batterie aus Germanium herzustellen, das selten in hohen Konzentrationen natürlich vorkommt, stellte das Team eine Mischung aus Titan, Zirkonium, Zinn und Hafnium her.
„Bei einer solchen Funktion müssen wir diese Elemente so zusammensetzen, dass wir viele ‚gute‘ lokale Konfigurationen haben, die ein Netzwerk für den schnellen Transport von Atomen oder Energie bilden können“, sagte Ouyang. „Stellen Sie sich das als eine Autobahn vor. Solange es eine verbundene Autobahn für die Atomdiffusion gibt, können sich die Atome schnell bewegen.“
Diese Studie eröffnete Ouyang und seinen Kollegen ein neues Forschungsgebiet, da sie daran arbeiten, effizientere Festkörperbatterien zu bauen.
Regierung, Forschung und Wissenschaft haben stark in die Entwicklung von Festkörperbatterien investiert, da Batterien, die Flüssigkeiten enthalten, anfälliger für Überhitzung, Feuer und Ladungsverlust sind. Kleinere Festkörperbatterien versorgen bereits Geräte wie Smartwatches und Herzschrittmacher. Dennoch glauben viele Hersteller, dass Durchbrüche in diesem Bereich bedeuten könnten, dass Festkörperbatterien eines Tages Elektrofahrzeugen oder Flugzeugen helfen könnten.
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Yan Zeng et al., Hochentropiemechanismus zur Steigerung der Ionenleitfähigkeit, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abq1346