Zwei Fortschritte weisen auf eine billigere Batterie für Elektroautos hin

Damit sich die Straßen mit Elektroautos füllen, müssen die Batterien viel billiger werden – nach einigen Schätzungen bis zu 80 Prozent (siehe Wie verbesserte Batterien Elektrofahrzeuge wettbewerbsfähig machen). Zwei jüngste Fortschritte, die einen experimentellen Batterietyp wesentlich praktischer machen, könnten zu solchen Kosteneinsparungen führen.

Bessere Batterie: Dieses Rasterelektronenmikroskop-Bild zeigt Lithiumsulfid-Partikel, die von Forschern der Stanford University verwendet wurden, um eine verbesserte Lithiumsulfid-Batterie herzustellen.

Forscher arbeiten seit Jahren an einem Batterietyp, der in einer Elektrode Lithiummetall und in der anderen Schwefel verwendet. Theoretisch könnte diese Art von Batterie drei- bis fünfmal so viel Energie speichern wie eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie (siehe Lithium-Schwefel-Batterien neu entdecken). Lithiummetall ist jedoch hochreaktiv, wenn es Wasser ausgesetzt wird, und kann im Laufe der Zeit in Batterien wurzelähnliche Strukturen bilden; Diese Strukturen können positive und negative Elektroden verbinden und Kurzschlüsse und sogar Brände verursachen. So viele Forscher haben begonnen, ihre Aufmerksamkeit auf eine ähnliche Batterie zu richten, die kein Lithiummetall benötigt.



Bei dem neuen Batterietyp wird die Schwefelelektrode durch ein Lithium-Sulfid-Material ersetzt – eine Verbindung, die sowohl Lithium als auch Schwefel enthält. Dies wird zur Quelle des Lithiums, sodass das Lithiummetall nicht mehr benötigt wird und durch Graphit – ein Material, das heute in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird – oder durch ein Material wie Silizium ersetzt werden kann.

Das Problem ist, dass Lithiumsulfid elektrisch isolierend ist, was den Ladevorgang verlangsamt und die Energiemenge verringert, die die Batterie liefern kann. Aber zwei aktuelle Veröffentlichungen, eine von Stanford und die andere vom Lawrence Berkeley National Laboratory, bieten Möglichkeiten, Lithium-Sulfid-Batterien praktischer zu machen.

Diese Forschungsarbeiten demonstrieren kostengünstige Methoden zur Herstellung von Lithiumsulfid-Batterien mit hohen Energiespeicherkapazitäten. Die Arbeit könnte zu kommerziellen Batterien führen, die mehr als dreimal so viel Energie speichern wie die derzeit in Elektrofahrzeugen verwendeten Lithium-Ionen-Batterien, sagt Yuegang Zhang , ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lawrence Berkeley National Laboratory.

Anfang dieses Jahres zeigte Yi Cui, Professor für Materialwissenschaften in Stanford, einen Weg, die inhärenten Einschränkungen von Lithium-Sulfid-Batterien zu überwinden, indem die Batterie beim ersten Aufladen mit einer höheren Spannung als üblich aufgeladen wird. Dadurch ändert sich die Chemie der Elektrode und das Leitfähigkeitsproblem wird umgangen.

Schon damals musste das Lithiumsulfid mit Kohlenstoff vermischt werden, um die Leitfähigkeit zu verbessern, und der Kohlenstoff verringert die Energiespeicherung der Elektrode: In Experimenten reichte es aus, die Kapazitäten der Batterie auf ein Niveau nahe herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien zu reduzieren .

Zhang demonstrierte einen neuen Weg, den Kohlenstoff mit dem Lithiumsulfid zu mischen, wodurch die in der Kathode benötigte Kohlenstoffmenge stark reduziert wird. Der Anteil der Elektrode, der aus Lithiumsulfid besteht, steigt von weniger als 50 Prozent auf 67,5 Prozent. Diese Verbesserung, teilweise weil sie durch Verbesserungen in anderen Teilen der Batterie verstärkt wird, könnte die Gesamtspeicherkapazität der Batterie von 350 auf 610 Wattstunden pro Kilogramm fast verdoppeln, schätzt Zhang. (Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen speichern heute typischerweise weniger als 200 Wattstunden pro Kilogramm.)

Der Kommerzialisierung der Technologie stehen nach wie vor Hindernisse im Weg, einschließlich der Notwendigkeit, die Anzahl der Wiederaufladevorgänge der Batterien und die Geschwindigkeit, mit der sie geladen werden können, zu verbessern. Auch die Energiespeicherzahlen sollten mit Vorsicht betrachtet werden – es handelt sich um Schätzungen, die aus Experimenten im Labormaßstab abgeleitet wurden, nicht aus Messungen von großen Batterien im kommerziellen Maßstab.

Und Lithium-Schwefel-Batterien, die Lithium-Metall verwenden, könnten sich noch als die Technologie der Wahl erweisen. Forscher und Unternehmen wie Sion Power und Polyplus machen Fortschritte bei der Verbesserung der Aufladehäufigkeit und verwenden Keramik oder andere Materialien, um Sicherheitsprobleme anzugehen (siehe Beyond Lithium Ion: ARPA-E Places Bets on Novel Energy Storage ) .

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