Auf dem Markt verfügen wir über verschiedene Batterietypen. Eine Batterie ist in der Lage, Energie zu verwalten, um sie zu versorgen und so die Funktion bestimmter Geräte und Geräte zu ermöglichen. Lithium-Ionen-Batterien sind das Kraftwerk eines Großteils der modernen Welt, von Smartphones, Laptop-Tablets bis hin zu Elektroautos und Flugzeugen. Jeder wissenschaftliche Fortschritt, der die Batterieleistung verbessert, ist relevant, und dies sind die größten Batterieinnovationen des Jahres 2021.
Einige Fortschritte kommen von Experimentieren mit alternativen Materialien während andere aus dem Ansatz stammen, ein Gerät komplett neu zu entwerfen und wie es von Grund auf funktioniert. Dies sind einige der kreativsten und interessantesten Beispiele.
Für eine schnellere Aufladung
Wissenschaftler arbeiten daran, die Ladegeschwindigkeit von Batterien zu verbessern, indem sie poröse Strukturen für die Anode, eines ihrer beiden Elektronen, verwenden. Dies bietet eine größere Kontaktfläche mit dem flüssigen Elektrolyten, der die Lithiumionen trägt, und lässt diese leichter durch das Material diffundieren. Dadurch werden die Akkus viel schneller geladen.
Im November haben Wissenschaftler der Universität Twente erstellte eine Anode mit einem Material namens Nickelniobat. Es hat eine offene und regelmäßige kristalline Struktur mit Wiederholung der gleichen Kanäle, die den Transport von Ionen erleichtern. An einer vollen Batteriezelle gearbeitet, fanden Wissenschaftler, dass sie angeboten wurde ultraschnelle Aufladeraten , bis zu 10-mal schneller als aktuelle Ionen-Akkus. Die Forscher stellen fest, dass Nickelniobat hat eine höhere Schüttdichte als Graphit, was auch zu leichteren und kompakteren kommerziellen Batterien führen könnte.
Lithium wiederbeleben
Wissenschaftler an der Stanford University haben einen Weg gefunden, schädliche Gruppen von „totem Lithium“ zu neutralisieren und wiederzubeleben, um die Leistung einer Batterie zu steigern. Das Wissenschaftlerteam entdeckte, dass „das Hinzufügen einer hohen Stromspannung während des Aufladens die Wirkung dieses inaktiven Lithiums stimuliert, wodurch es „wie ein Wurm“ rutscht und sich wieder mit der Elektrode verbindet, was die Lebensdauer der Elektrode erhöht. die Batterie um 30% ”.
Ein Durchbruch, der das Design von Schnellladebatterien oder Akkus verbessern könnte. Dieses Problem ist real Lithium-Metall-Batterien der nächsten Generation , dessen Potenzial darin besteht, bis zu 10-mal mehr Energie zu speichern. Daher könnte dieser Fortschritt neue vielversprechende Lösungen mit sich bringen.
Neuer Akku im Sandwich-Stil
Lithiummetall hat eine viel höhere Kapazität und Energiedichte als Graphit und Kupfer. Deshalb sehen Wissenschaftler in Lithium-Metall-Batterien so viel Potenzial.
Harvard-Materialwissenschaftler Xin Li hat im Mai eine neue Batterie im Sandwich-Stil vorgestellt, die möglicherweise in der Lage ist, einige der Stabilitätsprobleme überwinden die bisher Lithium-Metall-Designs plagen. Nach dem Test konnte das wissenschaftliche Team überprüfen, ob die Batterie erhalten blieb 82% seiner Kapazität nach 10,000 Ladezyklen. Am vielversprechendsten war, dass es eine Art von Stromdichte demonstrierte, die es eines Tages ermöglichen könnte, Elektrofahrzeuge in 20 Minuten aufzuladen.
Natur als Inspirationsquelle
Im Oktober untersuchte ein Team von Wissenschaftlern aus den USA eine weitere interessante Lösung für die Stabilitätsprobleme im Zusammenhang mit Lithium-Metall-Batterien. Dieses Mal wandten sie sich zur Inspiration an die Natur. Dieser Durchbruch ging wiederum von der Idee aus, einen festen Elektrolyten anstelle eines flüssigen zum Ladungstransport zu verwenden. In diesem Fall verwendeten die Wissenschaftler Zellulose-Nanofibrillen aus Holz .
„Diese mikroskopisch kleinen Polymerröhrchen kombiniert mit Kupfer bilden einen festen Ionenleiter mit winzigen Öffnungen zwischen den Polymerketten, die als ‚Ionenautobahnen‘ fungierten und es den Lithiumionen ermöglichen, sich mit Rekordeffizienz zu bewegen.“ Das bedeutet, dass das Material a Leitfähigkeit zwischen 10 und 100 mal höher als bei anderen Polymerionenleitern.
Altes Design neu interpretiert
Chlor-Alkalimetall-Batterien gibt es bereits seit den 1970er Jahren und bieten eine hohe Energiedichte. Hochreaktives Chlor hält nur eine Anwendung. Im August entwickelten Wissenschaftler der Stanford University eine Möglichkeit, diese Reaktion zu stabilisieren und diese Art von Batterien wieder aufzuladen.
Die Lösung bestand aus einem Elektrodenmaterial „aus porösem Kohlenstoff, das unregelmäßige Chlormoleküle absorbiert und sie sicher in Natriumchlorid, ihre ursprüngliche Form vor der Entladung, umwandelt“. EIN Zyklus, der bis zu 200 Mal wiederholt werden kann in einer experimentellen Batterie, die etwa die sechsfache Dichte der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie bot.
Sehr dünne Lithiumstreifen
Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des US-Energieministeriums „konzentrierten sich auf das, was als Festelektrolytschnittstelle (SEI) , das ist ein dünner Film auf der Anode, der eine wichtige Kontrollrolle spielt, indem er kontrolliert, welche Moleküle während des Zyklus aus dem Elektrolyten eintreten.
Sie fanden eine neuartige Lösung in Form von sehr dünnen Lithiumstreifen mit einer Breite von rund 20 Mikrometern, viel dünner als menschliches Haar. Der Prototyp der Beutelzellenbatterie des Teams enthielt diese Anode, die über 76 Zyklen 600 % ihrer Kapazität beibehielt.
Verwendung von Festelektrolyt
Dieser Fortschritt verfügt über eine Batterie mit a „halbfeste“ Elektrode aus Natrium- und Kaliumlegierungen, die Forscher aufgrund ihrer Festigkeit und Fließ- und Formbarkeit mit dem Material vergleichen, das Zahnärzte zum Füllen von Hohlräumen verwenden.
„Wenn dieses Material mit Festelektrolyt in Kontakt kommt, hat es genau die richtige Elastizität, um Risse zu vermeiden, die sich bei einem steiferen und spröderen Elektrodenmaterial bilden würden.“ Dieses Material erlaubt für höhere Stromdichten , etwa 20-mal mehr, was den Weg für viel höhere Ladegeschwindigkeiten ebnet.
