Weg zur Energieversorgung der Zukunft?

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Neue Raumtemperatur-Flüssigmetallbatterie

Die meisten Batterien bestehen entweder aus Festkörperelektroden, wie z.B. Lithium-Ionen-Batterien für tragbare Elektronikgeräte, oder aus Flüssigkeitselektroden, einschließlich Durchflussbatterien für intelligente Stromnetze. Forscher der Cockrell School of Engineering der University of Texas haben – so eine  Medienmitteilung auf der Webseite – eine so genannte „Raumtemperatur-Ganzmetall-Batterie“ entwickelt, die das Beste aus beiden Welten von Flüssig- und Festkörperbatterien enthält.

Batterien – Foto © Solarify

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

20 Grad – niedrigste je für eine Flüssigmetallbatterie gemessene Betriebstemperatur

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. Das stellt eine bedeutende Änderung dar, da aktuelle Flüssigmetallbatterien bei Temperaturen über 240 Grad Celsius gehalten werden müssen.

„Diese Batterie kann alle Vorteile sowohl des Fest- als auch des Flüssigzustandes – 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 im 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 der Arbeit weisen die Forscher darauf hin, dass es möglich sein könnte, mit verschiedenen Materialien eine Batterie mit noch niedrigeren Schmelzpunkten herzustellen.

Mehr Leistung als heutige Lithium-Ionen-Batterien

Die Raumtemperaturbatterie 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 lässt sich die Batterie je nach Leistungsbedarf leicht nach oben oder unten skalieren. Je größer die Batterie, desto mehr Leistung kann sie liefern. Diese Flexibilität ermöglicht es diesen Batterien, potenziell alles anzutreiben, 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 sein könnte, um konventionelle Elektroden zu ersetzen“, sagte Professor Yu. „Angesichts der hohen Energie- und Leistungsdichte, die demonstriert wurde, könnte diese innovative Zelle potenziell sowohl für intelligente Stromnetze als auch für tragbare Elektronik eingesetzt werden.

Mehr als drei Jahre Arbeit – bisher

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 Raumtemperaturbatterie 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, ist eine bessere Leistungsfähigkeit zu erwarten, wenn fortschrittliche Elektrolyte mit hoher Leitfähigkeit entwickelt werden“, so Ding.

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