25.06.2021 - University of Cambridge

Low-Cost-Imaging-Technik zeigt, wie Smartphone-Akkus in Minuten aufgeladen werden könnten

"Diese Technik könnte ein wichtiges Puzzlestück bei der Entwicklung von Batterien der nächsten Generation sein"

Forscher haben eine einfache Labortechnik entwickelt, mit der sie in das Innere von Lithium-Ionen-Batterien schauen und die Bewegung der Lithium-Ionen beim Laden und Entladen in Echtzeit verfolgen können, was bisher nicht möglich war.

Mit Hilfe der kostengünstigen Technik identifizierten die Forscher die geschwindigkeitsbegrenzenden Prozesse, die es ermöglichen könnten, die Batterien der meisten Smartphones und Laptops in nur fünf Minuten zu laden.

Die Forscher von der University of Cambridge sagen, dass ihre Technik nicht nur helfen wird, bestehende Batteriematerialien zu verbessern, sondern auch die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation beschleunigen könnte, eine der größten technologischen Hürden, die beim Übergang zu einer Welt ohne fossile Brennstoffe überwunden werden muss. Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Lithium-Ionen-Batterien haben zwar unbestreitbare Vorteile wie eine relativ hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer im Vergleich zu anderen Batterien und Energiespeichern, aber sie können auch überhitzen oder sogar explodieren und sind relativ teuer in der Herstellung. Außerdem reicht ihre Energiedichte bei weitem nicht an die von Benzin heran. Das macht sie bislang ungeeignet für den breiten Einsatz in zwei wichtigen sauberen Technologien: Elektroautos und netzgekoppelte Speicher für Solarstrom.

"Eine bessere Batterie ist eine, die viel mehr Energie speichern kann oder eine, die sich viel schneller aufladen lässt - idealerweise beides", sagt Co-Autor Dr. Christoph Schnedermann vom Cavendish Laboratory in Cambridge. "Aber um bessere Batterien aus neuen Materialien herzustellen und die Batterien zu verbessern, die wir bereits verwenden, müssen wir verstehen, was in ihnen vorgeht."

Um Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern und ihnen zu helfen, sich schneller aufzuladen, müssen Forscher die Prozesse, die in funktionierenden Materialien ablaufen, unter realistischen Bedingungen in Echtzeit verfolgen und verstehen. Derzeit erfordert dies ausgefeilte Synchrotron-Röntgen- oder Elektronenmikroskopietechniken, die zeitaufwändig und teuer sind.

"Um wirklich zu untersuchen, was im Inneren einer Batterie passiert, muss man das Mikroskop im Wesentlichen dazu bringen, zwei Dinge gleichzeitig zu tun: Es muss Batterien beim Laden und Entladen über einen Zeitraum von mehreren Stunden beobachten, aber gleichzeitig muss es sehr schnelle Prozesse erfassen, die im Inneren der Batterie ablaufen", sagt Erstautorin Alice Merryweather, Doktorandin am Cavendish Laboratory in Cambridge.

Das Team in Cambridge entwickelte eine optische Mikroskopietechnik namens interferometrische Streuungsmikroskopie, um diese Prozesse bei der Arbeit zu beobachten. Mit dieser Technik konnten sie einzelne Partikel von Lithium-Kobalt-Oxid (oft als LCO bezeichnet) beim Laden und Entladen beobachten, indem sie die Menge des gestreuten Lichts maßen.

Sie konnten sehen, wie das LCO während des Lade-Entlade-Zyklus eine Reihe von Phasenübergängen durchläuft. Die Phasengrenzen innerhalb der LCO-Teilchen bewegen und verändern sich, wenn Lithium-Ionen ein- und austreten. Die Forscher fanden heraus, dass der Mechanismus der sich bewegenden Grenze unterschiedlich ist, je nachdem, ob die Batterie geladen oder entladen wird.

"Wir haben herausgefunden, dass es unterschiedliche Geschwindigkeitsgrenzen für Lithium-Ionen-Batterien gibt, je nachdem, ob sie geladen oder entladen werden", sagte Dr. Akshay Rao vom Cavendish Laboratory, der die Forschung leitete. "Beim Laden hängt die Geschwindigkeit davon ab, wie schnell die Lithium-Ionen durch die Partikel des aktiven Materials hindurchgehen können. Beim Entladen hängt die Geschwindigkeit davon ab, wie schnell die Ionen an den Rändern eingefügt werden. Wenn wir diese beiden Mechanismen kontrollieren können, könnten Lithium-Ionen-Batterien viel schneller geladen werden."

"Wenn man bedenkt, dass Lithium-Ionen-Batterien seit Jahrzehnten im Einsatz sind, könnte man meinen, wir wüssten alles über sie, aber das ist nicht der Fall", sagt Schnedermann. "Mit dieser Technik können wir sehen, wie schnell sie einen Lade-Entlade-Zyklus durchlaufen kann. Worauf wir uns wirklich freuen, ist, die Technik zu nutzen, um Batteriematerialien der nächsten Generation zu untersuchen - wir können das, was wir über LCO gelernt haben, nutzen, um neue Materialien zu entwickeln."

"Die Technik ist ein recht allgemeiner Weg, um die Ionendynamik in Festkörpermaterialien zu untersuchen, so dass man sie für fast jede Art von Batteriematerial verwenden kann", sagte Professor Clare Grey vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, die die Forschung mit geleitet hat.

Der hohe Durchsatz der Methode ermöglicht es, viele Partikel über die gesamte Elektrode hinweg abzutasten und wird in Zukunft weitere Untersuchungen darüber ermöglichen, was passiert, wenn Batterien versagen und wie man dies verhindern kann.

"Die von uns entwickelte laborgestützte Technik bietet einen enormen Geschwindigkeitsschub, so dass wir mit dem schnelllebigen Innenleben einer Batterie mithalten können", sagt Schnedermann. "Die Tatsache, dass wir tatsächlich sehen können, wie sich diese Phasengrenzen in Echtzeit verändern, war wirklich überraschend. Diese Technik könnte ein wichtiges Puzzlestück bei der Entwicklung von Batterien der nächsten Generation sein."

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