Sammlungen

Neue Festkörper-Natriumionenbatterien könnten Lithium-Ionen ersetzen

Neue Festkörper-Natriumionenbatterien könnten Lithium-Ionen ersetzen

Ein Großteil unserer Technologie, von Smartphones bis hin zu Elektroautos, basiert auf Lithium-Ionen-Batterien zur Energiegewinnung. Diese gängigen Batterien sind zwar voller Vorteile, bergen aber auch Brand- und Explosionsgefahr. Festkörper-Natriumionenbatterien sind weitaus sicherer, konnten jedoch bisher nicht die Leistung nachweisen, die ihre Sicherheitsvorteile ausgleichen würde.

Dies wird sich dank der Forschung von Wissenschaftlern der University of Houston ändern. Der leitende Forscher Yan Yao, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik, hat einen Artikel in der Zeitschrift verfasst Joule Dies beschreibt die Entwicklung einer organischen Kathode, die sowohl die Stabilität als auch die Energiedichte in Festkörper-Natriumionenbatterien dramatisch verbessert.

Reversibilitätsschlüssel

Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie verfügt über flüssige Elektrolyte, die hohe Energiemengen speichern können. Festkörper-Natriumionenbatterien haben einen Festelektrolytkern, der normalerweise nicht die gleichen Energiemengen erzeugen kann. Neuere Forschungen haben jedoch einen Festelektrolyten geliefert, der genauso leitfähig ist wie die in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten flüssigen Elektrolyte.

Die letzte Herausforderung für eine hocheffiziente Festkörper-Natriumionenbatterie bestand darin, feste Grenzflächen zu finden. Die Forschung hat zwei Hauptergebnisse im Zusammenhang mit diesem Problem. Das erste ist: "Die Widerstandsgrenzfläche zwischen Elektrolyt und Kathode, die sich üblicherweise während des Zyklus bildet, kann umgekehrt werden, wodurch die Lebensdauer des Zyklus verlängert wird."

Das zweite ist, dass: "Die Flexibilität der organischen Kathode es ihr ermöglichte, einen engen Kontakt an der Grenzfläche mit dem Festelektrolyten aufrechtzuerhalten, selbst wenn sich die Kathode während des Zyklus ausdehnte und zusammenzog."

Stabil und leistungsfähiger

Die organische Kathode - bekannt als PTO - für Pyren-4,5,9,10-tetraon bietet viele Vorteile gegenüber früheren anorganischen Kathoden. "Wir haben zum ersten Mal festgestellt, dass die Widerstandsgrenzfläche, die sich zwischen der Kathode und dem Elektrolyten bildet, umgekehrt werden kann", sagte Yao. "Das kann zu Stabilität und längerer Lebensdauer beitragen."

Yao ist außerdem leitender Ermittler am Texas Center for Superconductivity an der UH. Seine Forschungsgruppe konzentriert sich auf umweltfreundliche und nachhaltige organische Materialien zur Energieerzeugung und -speicherung. Die Reversibilität der Schnittstelle ist der Hauptunterschied bei der neuen Batterie. Diese Beweglichkeit ermöglicht es der Festkörperbatterie, eine höhere Energiedichte zu erreichen, ohne die Lebensdauer zu beeinträchtigen.

In der Vergangenheit war es ein Problem, einen engen Kontakt zwischen dem Elektrolyten und der starren Kathode aufrechtzuerhalten, wenn sich die Kathode während des Batteriezyklus ausdehnt und zusammenzieht. Die neue Forschung zeigt jedoch, dass die organische Kathode dieses Problem lösen kann.

Die organische Kathode ist viel biegsamer und kann jederzeit Kontakt mit der Grenzfläche halten, wodurch die Lebensdauer des Zyklus verbessert wird. Die Forscher sagten, der Kontakt sei über mindestens 200 Zyklen konstant geblieben. "Wenn Sie einen zuverlässigen Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyt haben, haben Sie eine große Chance, eine Hochleistungs-Festkörperbatterie zu entwickeln", sagte Fang Hao, Doktorand und Teil von Yaos Team.


Schau das Video: Die Li-ionen-Batterie. Wie funktioniert sie? (Januar 2022).