Materialien, die der Thermodynamik widersprechen, könnten Elektrofahrzeuge, Gebäude und vieles mehr revolutionieren. So beschreibt ein Team unter der Leitung des Pritzker Molecular Engineering der University of Chicago Materialien, die sich bei Hitze zusammenziehen und bei Druck ausdehnen - eine Revolution in der Grundlagenforschung.
Neue Materialien trotzen den Naturgesetzen
Was dehnt sich aus, wenn es gequetscht wird, und schrumpft, wenn es erhitzt wird, und könnte sowohl das grundlegende Verständnis der Wissenschaftler von Materialien verändern als auch alte EV-Batterien wieder auf den Stand der Technik bringen?
Es ist kein Rätsel. Es handelt sich um eine Reihe von Materialien, die von Batterieforschern der Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) der University of Chicago und Gastforschern der University of California San Diego entdeckt wurden. Im Rahmen einer langfristigen Forschungskooperation entdeckte das Team eine negative thermische Ausdehnung in metastabilen Sauerstoff-Redox-aktiven Materialien.
Vereinfacht gesagt, haben sie Materialien geschaffen, die den Gesetzen der Thermodynamik zu widersprechen scheinen. Im stabilen Zustand reagieren sie wie jedes andere Material auf Wärme, Druck oder Strom. Im metastabilen Zustand jedoch, so die Forscher, verkehren sich die Reaktionen ins Gegenteil.
„Beim Erhitzen der Materialien ändert sich ihr Volumen nicht. Beim Erhitzen schrumpft das Material, anstatt sich auszudehnen“, sagte Shirley Meng, UChicago PME Liew Family Professorin in Molecular Engineering und Fakultätsdirektorin der Energy Technology Initiative des neu gegründeten Institute for Climate and Sustainable Growth. „Wir glauben, dass wir die Eigenschaften dieser Materialien durch Redoxchemie optimieren können. Das kann zu sehr spannenden Anwendungen führen.“
„Eines der Ziele besteht darin, diese Materialien aus der Forschung in die Industrie zu bringen und möglicherweise neue Batterien mit höherer spezifischer Energie zu entwickeln“, sagte Co-Erstautor Bao Qiu, Gastwissenschaftler an der UC San Diego vom Ningbo Institute of Materials Technology & Engineering (NIMTE). Diese Entdeckung ermöglicht nicht nur unzählige neue Technologien, sondern stellt auch einen Fortschritt in der Naturwissenschaft dar. Für Meng ist das sogar noch spannender.
Neues Verständnis für die Grundlagenforschung
„Das verändert unser Verständnis der Grundlagenforschung“, sagte Meng. „Unsere Arbeit orientierte sich am Modell der Universität Chicago, einem Modell, das Forschung und Wissen um ihrer selbst willen fördert.“ Durch die Feinabstimmung der Reaktion dieser Materialien auf Wärme und andere Energieformen könnten die Forscher Materialien mit Null-Wärmeausdehnung entwickeln. Dies könnte Bereiche wie das Bauwesen revolutionieren.
„Materialien ohne thermische Ausdehnung sind meiner Meinung nach der Traum“, sagte Prof. Minghao Zhang, Associate Professor für PME Research an der University of Chicago und Mitautor der Studie. „Nehmen Sie zum Beispiel jedes einzelne Gebäude. Man möchte nicht, dass die Materialien, aus denen die verschiedenen Komponenten bestehen, so oft ihr Volumen ändern.“
Doch Wärme ist nur eine Form von Energie. Um zu testen, wie Materialien auf mechanische Energie reagieren, werden sie komprimierten bis in den Gigapascal-Bereich – ein Druckniveau, das normalerweise nur zur Untersuchung der tektonischen Plattenaktivität verwendet wird. Dabei entdeckten sie eine sogenannte „negative Kompressibilität“. „Negative Kompressibilität ist wie negative Wärmeausdehnung“, sagte Zhang. „Wenn man ein Partikel des Materials in alle Richtungen komprimiert, würde man natürlich annehmen, dass es schrumpft. Aber dieses Material dehnt sich aus.“
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Ein Material, das Hitze und Druck aushält, könnte einige bisher theoretische „wilde Ideen“ möglich machen, sagte Zhang. Als Beispiel nannte er Strukturbatterien, bei denen die Wände eines Elektroflugzeugs gleichzeitig als Batteriewände dienen und so zu leichteren und effizienteren Flugzeugen beitragen. Diese neuen Materialien könnten die Batteriekomponenten vor Temperatur- und Druckschwankungen in verschiedenen Höhen schützen, sodass der Himmel keine Grenze mehr für diese neue Technologie darstellt.
Alte Elektrofahrzeuge wie neu machen
Wie bei Wärme und Druck ist die Reaktion metastabiler Materialien auf elektrochemische Energie - Spannung - umgekehrt. „Das ist nicht nur eine wichtige wissenschaftliche Entdeckung, sondern auch sehr nützlich für die Batterieforschung“, sagt Zhang. „Wenn wir die Spannung anlegen, versetzen wir das Material in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Wir gewinnen die Batterie zurück.
Um Metastabilität zu verstehen, muss man sich einen Ball auf einem Hügel vorstellen. Oben ist der Ball instabil. Er rollt hinunter. Unten ist er stabil. Er rollt nicht hinauf. Metastabil ist dazwischen: Eine Kugel befindet sich in der Nähe der Spitze, aber in einer Vertiefung. Dieser metastabile Zustand kann sehr dauerhaft sein - Diamanten sind zum Beispiel eine metastabile Form von Graphit. Um ein metastabiles Material aus seiner Vertiefung zu befreien und in seinen stabilen Zustand zurückzuversetzen, ist jedoch Energie erforderlich. „Um Materialien vom metastabilen in den stabilen Zustand zurückzuversetzen, muss nicht immer Wärmeenergie verwendet werden“, sagt Zhang. „Man kann jede Art von Energie verwenden, um das System zurückzusetzen.“
Dies ebnet den Weg für die Regeneration alternder Elektrofahrzeugbatterien. Ein E-Auto zum Beispiel, das früher mit einer Ladung 645 km weit kam, kann nach Jahren auf der Straße nur noch 480 oder 320 km weit fahren, bevor es wieder an die Steckdose muss. Der elektrochemische Antrieb, der die Materialien in einen stabilen Zustand versetzt, würde das Auto wieder auf die gleiche Laufleistung bringen wie im Neuzustand.
„Man muss die Batterie nicht an den Hersteller oder einen anderen Händler zurückschicken. Aktivieren Sie einfach die Spannung“, sagt Zhang. „Dann ist Ihr Auto wieder wie neu. Ihre Batterie ist wieder wie neu.“ Bao sagte, dass die nächsten Schritte darin bestünden, die Materialien mit Hilfe der Redoxchemie weiter zu untersuchen und „die wichtigsten Punkte herauszuarbeiten“, um die Grenzen dieses neuen Bereichs der Grundlagenforschung auszuloten.
