Die Wissenschaftler wollen von den Lithium-Ionen-Batterien auf Flüssigelektrolytbasis, die unsere Geräte in den letzten 30 Jahren angetrieben haben, zu Festkörpersystemen übergehen, die den Anforderungen der nächsten Generation von Elektronikgeräten gerecht werden. Festkörperbatterien sind sicherer und verringern das Risiko eines Brandes, wenn eine Batterie beschädigt ist, einen Kurzschluss hat oder überhitzt ist. Außerdem bieten Festkörperbatterien eine höhere Energiedichte und eine längere Batterielebensdauer.
„Wie Sie vielleicht schon bei Ihren iPhones oder Tablets bemerkt haben, gibt es eine bestimmte Zeitspanne, bevor die Batterie leer ist oder Sie eine neue einsetzen müssen. Im Idealfall können Festkörperbatterien länger halten“, sagte die FSU-Doktorandin Erica Truong. Ein großer Nachteil hat jedoch verhindert, dass Festkörperbatterien in größerem Umfang eingesetzt werden. Sie sind teuer in der Herstellung und lassen sich nur schwer in großen Stückzahlen produzieren.
Truong gehört zum Forschungsteam des Professors für Chemie und Biochemie an der Florida State University, Yan-Yan Hu, und arbeitet an der Entwicklung von Festkörperbatteriesystemen, die die Leistung verbessern und kommerziell nutzbar sind.
Analyse eines neuen Festkörperelektrolytdesigns
„In dieser Studie haben wir ein neues Festkörperelektrolytdesign untersucht, das allgemein auf andere Systeme angewendet werden kann, um deren Leistung zu verbessern“, so Truong. Elektrolyte sind ein wichtiger Bestandteil von Batterien, da sie als Separator zwischen der Kathode (oder dem negativen Pol) und der Anode (oder dem positiven Pol) fungieren. Sie erleichtern die Bewegung von Ionen zwischen den Elektroden und ermöglichen es der Batterie, sich aufzuladen, wenn sie an eine Stromquelle angeschlossen ist, oder Strom zu liefern, wenn sie mit einem Gerät wie einem Telefon verbunden ist.
Das FSU-Team analysierte die Strukturen und Eigenschaften eines vielversprechenden Elektrolyten aus Lithiumchlorid und Galliumfluorid. Sie entdeckten eine Strategie, die den Ionentransport in Festelektrolyten wirksam fördern kann. Mit Hilfe der Festkörper-Kernspinresonanzsysteme des MagLab untersuchten die Forscher detailliert die strukturellen Eigenschaften des gelartigen Elektrolyten, die zum Ionentransport beitragen.
Die Untersuchung ergab, dass sich Chlor und Fluor in einer so genannten Ladungsclusterung verbinden, wodurch die Lithiumionen freigesetzt werden. Dies führt zu einer schnellen Aufladung und einer längeren Lebensdauer der Batterie. „Das Phänomen der Ladungskonzentration trägt dazu bei, die Bindung zwischen dem Lithium und den anderen Komponenten zu schwächen, so dass sich das Lithium schneller und effizienter durch den Elektrolyten bewegen kann“, so Truong.
Materialbeschaffenheit ist ähnlich wie Ton
„Interessant an diesem Material ist auch, dass es nicht rein fest ist, sondern eher wie Ton“, so Truong. Diese lehmähnliche Eigenschaft bedeutet, dass das Material so geformt und gestaltet werden kann, dass es in jeden Raum passt. „Das könnte von Vorteil sein, weil es sich besser in die Batterie einfügen lässt und den Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektroden verbessert“, erklärte Truong.
Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Samsung über dessen Advanced Institute of Technology durchgeführt, das den Lithiumchlorid- und Galliumfluorid-Elektrolyten im Jahr 2021 entwickelt und synthetisiert hat. Samsung gehört zu den vielen Elektronikunternehmen, die nach der idealen Festkörperbatterie suchen, die die Leistung erhöht, die Sicherheit verbessert und schnell und kostengünstig in großem Maßstab hergestellt werden kann.
Die FSU-Forscher glauben, dass ihre Ergebnisse neue Wege in der Batterieentwicklung aufzeigen werden, einschließlich Festkörperelektrolyten mit Natrium, Kalzium oder Magnesium, die zu Batterien mit einer Leistung führen, die „den Stand der Technik weit übertrifft“.
Die Entwicklung und Herstellung fortschrittlicher Werkstoffe ist einer der Hauptschwerpunkte von Aspire dem neuen strategischen Plan des Florida State University Office of Research.
Dieser Artikel wurde mit Deepl aus dem Englischen übersetzt.
