September 30, 2022

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Günstig, kapazitätsstark und schnell: Neue Aluminium-Akku-Technologie verspricht alles

Günstig, kapazitätsstark und schnell: Neue Aluminium-Akku-Technologie verspricht alles

Oric Lawson | Getty Images

Es gibt eine klassische Ironie bei neuen Technologien, bei denen Adoptierende gezwungen sind, sich auf zwei der drei Dinge zu beschränken, die jeder will: schnell, billig und gut. Wenn die Technologie Batterien sind, ist die Abhängigkeit noch schwieriger. Günstiger und schneller Preis (Versand) zählt immer noch, aber „gut“ kann sein verschiedene Dinge bedeuten, wie z. B. geringes Gewicht, geringes Volumen oder lange Lebensdauer, je nach Ihren Anforderungen. Es handelt sich jedoch um dieselben Arten von Swaps. Wenn Sie eine wirklich schnelle Ladung wünschen, müssen Sie wahrscheinlich etwas Kapazität aufgeben.

Diese Kompromisse halten die Forschung an der Chemie alternativer Batterien trotz der beeindruckenden Präsenz von Blei-Lithium in Bezug auf Technologie und Fertigungskapazitäten weiter – es gibt noch Hoffnung darauf Etwas andere Chemie Es kann zu einer erheblichen Preissenkung oder einer erheblichen Steigerung einiger Leistungskennzahlen führen.

Heute wird ein Forschungsbericht veröffentlicht, der einen niedrigen Preis in Kombination mit einer deutlichen Steigerung vieler dieser Kennzahlen zu bieten scheint. Aluminium- und Schwefelbatterien aus Rohstoffen bieten einen niedrigen Preis, eine wettbewerbsfähige Größe und eine größere Kapazität pro Gewicht als Lithium-Ionen – mit dem großen Plus, dass die Zellen in weniger als einer Minute vollständig aufgeladen werden. Das einzige offensichtliche Problem, das Sie derzeit haben, ist, dass die Temperatur 90 ° C betragen muss (ungefähr der Siedepunkt von Wasser), damit es funktioniert.

Kann Aluminium?

Die Leute denken schon seit einiger Zeit über Batterien auf Aluminiumbasis nach und sind von ihrer hohen theoretischen Kapazität angezogen worden. Während jedes Aluminiumatom etwas schwerer als Lithium ist, sind Aluminiumatome und ihre Ionen physikalisch kleiner, wobei die höhere positive Ladung des Kerns Elektronen leicht auseinander zieht. Außerdem gibt Aluminium leicht bis zu drei Elektronen pro Atom ab, was bedeutet, dass Sie viel Ladung auf jedes beteiligte Ion übertragen können.

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Das große Problem war, dass das Aluminium chemisch absorbiert wurde. Viele Aluminiumverbindungen sind in Wasser sehr unlöslich, ihre Oxide sind sehr stabil und so weiter – es ist leicht für etwas, das eine einfache Nebenreaktion sein sollte, eine Batterie nach ein paar Lade-/Entladezyklen lahmzulegen. Während die Arbeit fortgesetzt wurde, schienen hohe theoretische Fähigkeiten in der Praxis oft unerreichbar.

Der Schlüssel zu der neuen Arbeit war die Erkenntnis, dass wir eines der großen Probleme bei der Herstellung einer Aluminiummetallelektrode bereits gelöst hatten – wir hatten es gerade auf einem völlig anderen Gebiet getan. Reine Metallelektroden bieten erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Einfachheit und Größe, da keine echte Chemie beteiligt ist und keine zusätzlichen Materialien erforderlich sind, um die Metallionen damit zu füllen. Aber das Metall neigt dazu, sich ungleichmäßig auf den Batterieelektroden abzulagern, wodurch schließlich Stacheln entstehen, sogenannte Dendriten, die wachsen, bis Sie andere Batteriekomponenten beschädigen oder die Zelle vollständig verkürzen. Daher war es eine große Hürde, herauszufinden, wie Mineralien gleichmäßig abgelagert werden können.

Die wichtigste Erkenntnis hier ist, dass wir bereits wissen, wie man Aluminium gleichmäßig abscheidet. Wir machen das die ganze Zeit, wenn wir Aluminium über ein anderes Metall galvanisieren wollen.

Dies geschieht oft mit geschmolzenem Aluminiumchloridsalz. In der Salzschmelze neigen die Aluminium- und Chlorionen dazu, lange Ketten alternierender Atome zu bilden. Wenn Aluminium auf einer Oberfläche abgeschieden wird, neigt es dazu, sich aus der Mitte dieser Ketten zu lösen, und die physische Masse des Rests der Kette erleichtert dies auf einer ebenen Oberfläche.

Innerhalb der Salzschmelze können sich Aluminiumionen auch schnell von einer Elektrode zur anderen bewegen. Das große Problem ist, dass Aluminiumchlorid nur bei 192 °C schmilzt, aber das Einmischen von etwas Natriumchlorid und Kaliumchlorid senkt die Temperatur auf 90 °C – unter dem Siedepunkt von Wasser und kompatibel mit einer breiteren Palette von Zusatzstoffen.

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Salzsandwich

Dabei erhielten die Forscher zwei Drittel einer Batterie. Eine der Elektroden war Lithiummetall und der Elektrolyt war flüssiges Aluminiumchlorid. Dies lässt eine zweite zu erkennende Elektrode zurück. Hier gibt es viele Beispiele dafür, dass Aluminium als chemische Verbindung mit niedrigeren Elementen als Sauerstoff im Periodensystem wie Schwefel oder Selen gespeichert wird. Für Bildgebungszwecke arbeitete das Team mit Selen, um eine experimentelle Batteriezelle zu erstellen und zu bestätigen, dass sie sich erwartungsgemäß verhält.

Das Fotografieren des Aluminiums zeigte, dass die Oberfläche nach einigen Lade- und Entladezyklen etwas voll war, aber es kamen keine großen oder spitzen Verlängerungen heraus, die den Akku beschädigen könnten. Die Reaktionen an der Selenelektrode scheinen in der Salzschmelze zu beginnen, bevor sie an der Elektrodenoberfläche enden. Insgesamt zeigte die Zelle eine stabile Leistung über Dutzende von Zyklen und die Art von hoher Kapazität pro Gewicht, die Aluminium bieten sollte. Also machte sich das Team daran, die Zellen zu bauen und zu testen, die sie wirklich interessierten: Aluminium-Schwefel.

Bei langsamen Entladungsraten haben Aluminium-Schwefel-Zellen eine Ladungs-pro-Gewicht-Kapazität, die mehr als dreimal so hoch ist wie die von Lithium-Ionen-Batterien. Diese Zahl nahm mit zunehmender Lade-/Entladerate ab, aber die Leistung blieb ausgezeichnet. Wenn die Zelle länger als zwei Stunden entladen und in nur sechs Minuten aufgeladen wurde, hatte sie immer noch eine um 25 Prozent höhere Ladekapazität pro Gewicht als Lithium-Ionen-Batterien und behielt nach 500 Zyklen etwa 80 Prozent dieser Kapazität – nun ja über das hinaus, was Sie mit den meisten Lithium-Chemie sehen würden.

Wenn Sie die Ladezeiten auf etwas mehr als eine Minute senken, entspricht die Kapazität pro Gewicht ungefähr der eines Lithium-Ionen-Akkus, und mehr als 80 Prozent dieser Kapazität stehen nach 200 Zyklen noch zur Verfügung. Die Batteriezelle konnte einer vollständigen Ladung in weniger als 20 Sekunden standhalten, obwohl die Kapazität pro Gewicht etwas mehr als die Hälfte dessen war, was Sie von einem Lithium-Ionen-Akku erhalten würden.

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