Vergessenes Batteriedesign von Thomas Edison neu gedacht
Proteine aus der Rindfleischproduktion revolutionieren Batterien
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Eine wenig bekannte Tatsache: Im Jahr 1900 gab es auf den amerikanischen Straßen mehr Elektroautos als gasbetriebene Fahrzeuge. Die Blei-Säure-Autobatterie von Thomas Edison war damals teuer und hatte nur eine Reichweite von etwa 30 Meilen. Auf der Suche nach Verbesserungen sah Edison in der Nickel-Eisen-Batterie die Zukunft. Sie versprach eine Reichweite von 100 Meilen, eine lange Lebensdauer und eine für die damalige Zeit schnelle Aufladezeit von sieben Stunden.
Eine Illustration symbolisiert die neue Batterietechnologie: Proteine (rot) halten winzige Metallcluster (silber). Jede gelbe Kugel in den Strukturen in der Mitte stellt ein einzelnes Atom aus Nickel oder Eisen dar.
Maher El-Kady/UCLA
Leider wurde dieses Versprechen nie eingelöst. Frühe Elektroauto-Batterien litten noch unter schwerwiegenden Einschränkungen, und die Fortschritte des Verbrennungsmotors setzten sich durch.
Jetzt hat eine internationale Forschungskooperation unter der Leitung der UCLA eine Seite von Edisons Buch genommen und eine Nickel-Eisen-Batterie-Technologie entwickelt, die sich möglicherweise gut für die Speicherung von in Solarparks erzeugter Energie eignet. Der Prototyp war in der Lage, sich in Sekunden statt in Stunden aufzuladen, und erreichte über 12.000 Zyklen des Entleerens und Wiederaufladens - das entspricht mehr als 30 Jahren täglichen Aufladens.
Die Technologie wurde aus winzigen Metallclustern aufgebaut, die mit Hilfe von Proteinen strukturiert und dann mit einem zweidimensionalen Material verbunden wurden, das aus nur ein Atom dicken Schichten besteht. Trotz der innovativen Bestandteile sind die Techniken täuschend einfach und kostengünstig.
"Die Leute denken oft, dass moderne Nanotechnologie kompliziert und hochtechnologisch ist, aber unser Ansatz ist überraschend einfach und unkompliziert", sagte Maher El-Kady, Mitautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Chemie und Biochemie des UCLA College. "Wir mischen einfach gewöhnliche Zutaten, wenden sanfte Erhitzungsschritte an und verwenden Rohstoffe, die überall erhältlich sind.
Die Studie wurde in der Zeitschrift Small veröffentlicht und ist auf der Rückseite des Buches abgebildet.
Batterien, die von der Biologie unterstützt werden
Die natürliche Welt lieferte den Forschern einige Anhaltspunkte. Von besonderem Interesse war der Prozess, durch den Tiere Knochen und Muscheln ihre harten Außenhüllen bilden. Unabhängig davon, ob die Skelette innen oder außen liegen, werden sie von Proteinen gebildet, die als Gerüst für die Ansammlung von Kalziumverbindungen dienen.
Die Forscher versuchten, diesen Mechanismus nachzuahmen, um ihre winzigen Nickel- oder Eisencluster zu erzeugen, so der Mitautor Ric Kaner, ein angesehener Professor für Chemie und Biochemie am UCLA College und für Materialwissenschaft und -technik an der UCLA Samueli School of Engineering.
"Wir haben uns von der Art und Weise inspirieren lassen, wie die Natur diese Art von Materialien ablagert", sagte Kaner, der auch Inhaber des Dr. Myung Ki Hong Stiftungslehrstuhls für Materialinnovation und Mitglied des California NanoSystems Institute an der UCLA ist. "Durch die richtige Anordnung der Mineralien entstehen Knochen, die stark und gleichzeitig flexibel genug sind, um nicht spröde zu werden. Die Art und Weise, wie dies geschieht, ist fast so wichtig wie das verwendete Material, und die Proteine bestimmen, wie die Mineralien angeordnet werden."
In der Studie verwendete das Team Proteine, die als Nebenprodukte bei der Rindfleischproduktion anfallen. Die Moleküle dienten als Schablonen für das Wachstum von Nickelclustern für die positiven Elektroden und Eisenclustern für die negativen Elektroden. Die Ecken und Kanten in der gefalteten Proteinstruktur begrenzten die Größe der Metallcluster auf weniger als 5 Nanometer. Das ist so klein, dass etwa 10.000 bis 20.000 Cluster erforderlich wären, um die Breite eines menschlichen Haares zu erreichen. Die Forscher konnten sogar einzelne Atome von Eisen und Nickel in ihren Elektroden nachweisen.
Die Proteine wurden mit Graphenoxid kombiniert, einem ultradünnen 2D-Material, das in nur ein Atom dicken Schichten vorliegt und aus Kohlenstoff besteht, der mit Sauerstoffatomen verziert ist. Während der Sauerstoff zu Verstopfungen führen kann, die das Material eher wie einen Isolator wirken lassen, änderte der folgende Prozess alles.
Die Zutaten wurden in Wasser überhitzt und dann bei hoher Temperatur gebacken, wodurch die Proteine zu Kohlenstoff verkohlten, der Sauerstoff aus dem 2D-Material entfernt wurde und die winzigen, von den Proteinen geführten Metallcluster eingebettet wurden. Das Ergebnis war ein Aerogel, das zu fast 99 Volumenprozent aus Luft besteht.
Die Oberfläche als Superkraft
Ein Teil des Geheimnisses der Technologie ist die Oberfläche - je größer die Oberfläche ist, desto mehr Platz haben die Reaktionen, die der Batteriechemie zugrunde liegen, um stattfinden zu können.
Das Graphen-Aerogel bot durch seine geringe Dicke und den Überschuss an freiem Raum viel Platz. Und die Winzigkeit der Metall-Nanocluster macht sich ein grundlegendes mathematisches Prinzip zunutze: Wenn Objekte kleiner werden, nimmt die Größe der exponierten Außenfläche viel stärker zu als das Volumen.
"Wenn wir von größeren Partikeln zu diesen extrem winzigen Nanoclustern übergehen, wird die Oberfläche dramatisch größer", sagte El-Kady. "Das ist ein großer Vorteil für Batterien. Wenn die Partikel so winzig sind, kann fast jedes einzelne Atom an der Reaktion teilnehmen. Das Laden und Entladen geht also viel schneller, man kann mehr Ladung speichern, und die gesamte Batterie arbeitet einfach effizienter."
Aussichten für die Zukunft und nächste Schritte
Trotz der Vorteile in Bezug auf Ladegeschwindigkeit und Haltbarkeit reicht diese Technologie nicht an die Speicherkapazität der heutigen Lithium-Ionen-Batterien heran. Da die Reichweite von Elektroautos von entscheidender Bedeutung ist, könnte diese von Edison inspirierte Zukunftsbatterie nach Ansicht der Forscher eines Tages auch in anderen Bereichen Anwendung finden.
So eignen sich die schnelle Aufladung, die hohe Leistung und die robuste Ausdauer der Technologie beispielsweise gut für die Speicherung von überschüssigem Strom, der tagsüber in Solarparks erzeugt wird, um nachts das Stromnetz zu versorgen. Sie könnte auch für die Notstromversorgung von Rechenzentren nützlich sein.
"Da diese Technologie die Lebensdauer von Batterien auf Jahrzehnte verlängern könnte, wäre sie ideal für die Speicherung erneuerbarer Energien oder die schnelle Übernahme bei Stromausfällen", so El-Kady. "Dies würde die Sorgen über die sich ändernden Kosten der Infrastruktur beseitigen.
Die Forscher untersuchen die Anwendung ihrer Nanocluster-Herstellungstechnik mit anderen Metallen. Sie untersuchen auch mögliche Ersatzstoffe für Rinderproteine, wie z. B. natürliche Polymere, die häufiger vorkommen und daher weniger teuer sind und sich für eine künftige Herstellung leichter skalieren lassen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Habibeh Bishkul, Abolhassan Noori, Mohammad S. Rahmanifar, Nasim Hassani, Mehdi Neek‐Amal, Junlei Liu, Cheng Zhang, Maher F. El‐Kady, Nahla B. Mohamed, Richard B. Kaner, Mir F. Mousavi; "Protein‐Templated Fe and Ni Subnanoclusters for Advanced Energy Storage and Electrocatalysis"; Small, Volume 21, 2025-8-30
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