Lithium-Ionen-Akkus werden häufig in Elektrofahrzeugen und Smartphones eingesetzt, da sie leicht, zuverlässig und energieeffizient sind. Allerdings sind sie langsam und vertragen keine hohen Stromstöße. Das Cornell Engineering Team hat kürzlich einen Lithium-Elektrofahrzeug-Akku entwickelt, der in nur fünf Minuten vollständig aufgeladen werden kann. Der Prototyp eines solchen Schnellladeakkus.
Ein Ingenieurteam der Cornell University hat eine neue Lithiumbatterie entwickelt. Sie lädt in weniger als fünf Minuten – schneller als alle anderen verfügbaren Batterien. Zudem behält sie über einen längeren Zeitraum eine stabile Leistung beim Laden und Entladen bei. Diese jüngste Entdeckung könnte die Reichweitenangst vieler Autofahrer lindern. Ihre Sorgen um die begrenzte Reichweite von Elektrofahrzeugen und die Unannehmlichkeiten langer Ladezeiten würden sich verringern.
Die Forscher entdeckten, dass Indium, ein weiches Metall, das häufig für Touchscreens und Solarmodule verwendet wird, ein außergewöhnlich hohes Potenzial als Material für schnell aufladbare Batterien besitzt. Dies liegt an seinen inhärent schnellen Festkörpertransportraten und niedrigen Damköhler-Zahlen. Darüber hinaus eignet sich Indium hervorragend als Bleiersatz in Niedertemperaturloten.
Professor Lynden Archer , Dekan der Cornell Engineering und Leiter des Projekts, sagte: „Reichweitenangst ist ein größeres Hindernis für die Elektrifizierung des Transportwesens als alle anderen Hindernisse, wie Kosten und Leistungsfähigkeit von Batterien, und wir haben einen Weg gefunden, sie mithilfe rationaler Elektrodenkonstruktionen zu beseitigen.“
Professor Archer fügte hinzu: „Wenn man eine Elektroauto-Batterie in fünf Minuten aufladen kann, dann braucht man keine Batterie mehr, die groß genug für eine Reichweite von 300 Meilen ist. Man kann sich mit weniger zufrieden geben, was die Kosten für Elektrofahrzeuge senken und eine breitere Akzeptanz ermöglichen könnte.“
Der Hauptautor der Studie, Shuo Jin , Doktorand im Bereich Chemie- und Bioingenieurwesen, erklärte: „Unser Ziel war es, Batterieelektroden zu entwickeln, deren Lade- und Entladeverhalten dem Alltag entspricht. Konkret wünschen wir uns, dass unsere elektronischen Geräte schnell geladen werden und lange funktionieren. Um dies zu erreichen, haben wir ein einzigartiges Indium-Anodenmaterial identifiziert, das sich effektiv mit verschiedenen Kathodenmaterialien kombinieren lässt, um eine Batterie zu erzeugen, die sich schnell lädt und langsam entlädt .“
Der Prozess
Die Forscher wählten für ihre neue Lithiumbatterie einen einzigartigen Ansatz und legten den Schwerpunkt auf die Kinetik elektrochemischer Reaktionen. Sie nutzten dabei insbesondere ein Konzept aus der chemischen Verfahrenstechnik, die sogenannte Damköhler-Zahl . Dieses Konzept quantifiziert im Wesentlichen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen im Vergleich zum Transport der Stoffe zum Reaktionsort.
Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass Indium als Batterieanode zwei entscheidende Eigenschaften besitzt. Diese sind:
- Ein außergewöhnliches niedrige Migrationsenergiebarriere, die die Geschwindigkeit bestimmt, mit der Ionen im Festkörper diffundieren
- A moderate Austauschstromdichte, was sich auf die Geschwindigkeit auswirkt, mit der Ionen in der Anode reduziert werden.
Die Synergie dieser Eigenschaften, schnelle Diffusion und langsame Oberflächenreaktionskinetik, ist für schnelles Laden und längere Lagerung zwingend erforderlich.
Professor Archer erklärte: „Die entscheidende Innovation besteht darin, dass wir ein Konstruktionsprinzip entdeckt haben, das es Metallionen an der Batterieanode ermöglicht, sich frei zu bewegen, die richtige Konfiguration einzunehmen und erst dann an der Ladungsspeicherreaktion teilzunehmen. Das Endergebnis ist, dass sich die Elektrode in jedem Ladezyklus in einem stabilen morphologischen Zustand befindet. Genau das verleiht unseren neuen Schnellladebatterien die Fähigkeit, über Tausende von Zyklen hinweg wiederholt geladen und entladen zu werden.“
Die Lithium-Batterie für Elektrofahrzeuge, die sich in 5 Minuten vollständig aufladen lässt, nutzt diese Technologie in Kombination mit kabellosem induktivem Laden auf der Straße. Dadurch könnten Größe und Kosten der Batterien deutlich reduziert werden . Elektromobilität wird so für Autofahrer noch attraktiver. Das bedeutet jedoch nicht, dass Indiumanoden perfekt oder praktikabel sind.
„Dieses Ergebnis ist zwar spannend, da es uns zeigt, wie wir Schnellladebatterien entwickeln können, doch Indium ist schwer. Hier bietet sich die Möglichkeit, mithilfe computergestützter chemischer Modellierung, beispielsweise mit generativen KI-Werkzeugen, herauszufinden, welche anderen leichten Materialien ähnliche, intrinsisch niedrige Damköhler-Zahlen erreichen könnten. Gibt es beispielsweise Metalllegierungen, die wir noch nie untersucht haben und die die gewünschten Eigenschaften aufweisen? Meine Zufriedenheit rührt daher, dass ein allgemeines Prinzip existiert, das es jedem ermöglicht, eine bessere Batterieanode zu entwickeln, die schnellere Laderaten als die derzeitige Technologie erzielt“, fügte Prof. Archer hinzu.
Quelle : Schnellladefähige Lithiumbatterie soll Reichweitenangst beseitigen
