09.07.2020 - University of Texas at Austin

Neue Flüssigmetallbatterie bei Raumtemperatur könnte der Weg zur Energieversorgung der Zukunft sein

Eine Mischung aus Flüssig- und Festkörperbatterien

Forscher an der Cockrell School of Engineering an der University of Texas in Austin haben einen neuen Batterietyp gebaut, der die vielen Vorteile der bestehenden Optionen kombiniert und gleichzeitig ihre wichtigsten Mängel beseitigt und Energie spart.

Die meisten Batterien bestehen entweder aus Festkörperelektroden, wie z.B. Lithium-Ionen-Batterien für tragbare Elektronikgeräte, oder aus Flüssigkeitselektroden, einschließlich Durchflussbatterien für intelligente Stromnetze. Die UT-Forscher haben eine so genannte "Raumtemperatur-Ganzmetall-Batterie" entwickelt, die das Beste aus beiden Welten von Flüssig- und Festkörperbatterien enthält.

Festkörperbatterien verfügen über eine beträchtliche Kapazität zur Energiespeicherung, aber sie stoßen typischerweise auf zahlreiche Probleme, die dazu führen, dass sie mit der Zeit nachlassen und weniger effizient werden. Flüssigbatterien können Energie effizienter liefern, ohne den langfristigen Verfall von Geräten im Verkaufszustand, aber sie reichen entweder nicht aus, um einen hohen Energiebedarf zu decken, oder sie benötigen erhebliche Ressourcen, um die Elektroden ständig zu erhitzen und sie geschmolzen zu halten.

Die metallischen Elektroden in der Batterie des Teams können bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius (68 Grad Fahrenheit) verflüssigt bleiben, der niedrigsten je für eine Flüssigmetallbatterie gemessenen Betriebstemperatur, so die Forscher. Dies stellt eine bedeutende Änderung dar, da aktuelle Flüssigmetallbatterien bei Temperaturen über 240 Grad Celsius gehalten werden müssen.

"Diese Batterie kann alle Vorteile von Festkörper- und Flüssigkeitsbatterien - einschließlich mehr Energie, erhöhte Stabilität und Flexibilität - ohne die jeweiligen Nachteile bieten und gleichzeitig Energie sparen", sagte Yu Ding, ein Postdoktorand in der Forschungsgruppe von Associate Professor Guihua Yu am Walker Department of Mechanical Engineering. Ding ist der Hauptautor einer Arbeit über die Raumtemperaturbatterie, die das Team kürzlich in Advanced Materials veröffentlicht hat.

Die Batterie enthält eine Natrium-Kalium-Legierung als Anode und eine Legierung auf Galliumbasis als Kathode. In dem Papier stellen die Forscher fest, dass es möglich sein könnte, mit verschiedenen Materialien eine Batterie mit noch niedrigeren Schmelzpunkten herzustellen.

Die Raumtemperatur-Batterie verspricht mehr Leistung als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien, die das Rückgrat der meisten persönlichen Elektronik bilden. Sie kann um ein Vielfaches schneller laden und Energie liefern, so die Forscher.

Aufgrund der flüssigen Komponenten kann die Batterie je nach benötigter Leistung leicht nach oben oder unten skaliert werden. Je größer die Batterie, desto mehr Leistung kann sie liefern. Dank dieser Flexibilität können diese Batterien potenziell alles mit Strom versorgen, von Smartphones und Uhren bis hin zur Infrastruktur, die die Bewegung hin zu erneuerbaren Energien untermauert.

"Wir sind begeistert zu sehen, dass Flüssigmetall eine vielversprechende Alternative zum Ersatz konventioneller Elektroden sein könnte", sagte Professor Yu. "Angesichts der hohen Energie- und Leistungsdichte, die demonstriert wurde, könnte diese innovative Zelle sowohl für ein intelligentes Stromnetz als auch für tragbare Elektronik eingesetzt werden.

Die Forscher haben mehr als drei Jahre an diesem Projekt gearbeitet, aber die Arbeit ist noch nicht abgeschlossen. Viele der Elemente, die das Rückgrat dieser neuen Batterie bilden, sind in größeren Mengen vorhanden als einige der Schlüsselmaterialien in herkömmlichen Batterien, so dass sie potenziell einfacher und kostengünstiger in großem Maßstab hergestellt werden können. Gallium bleibt jedoch ein teures Material. Die Suche nach alternativen Materialien, die die gleiche Leistung erbringen und gleichzeitig die Produktionskosten senken können, bleibt eine zentrale Herausforderung.

Der nächste Schritt zur Erhöhung der Leistung der Batterie bei Raumtemperatur besteht in der Verbesserung der Elektrolyte - der Komponenten, die es der elektrischen Ladung ermöglichen, durch die Batterie zu fließen.

"Obwohl unsere Batterie im derzeitigen Stadium nicht mit den Hochtemperatur-Flüssigmetallbatterien konkurrieren kann, wird eine bessere Leistungsfähigkeit erwartet, wenn fortschrittliche Elektrolyte mit hoher Leitfähigkeit entwickelt werden", sagte Ding.

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