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Geheimnis Der Lithium-Ionen-Batterien Gelöst
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Anonim

Forscher entdecken, wie Ladungstransfer funktioniert.

Auf der Suche nach Batterien, die mehr Energie speichern und weniger kosten, verfolgen viele Forscher mit exotischen Materialien und Chemikalien wie Lithiumluft, flüssigem Metall und geschmolzenem Salz nach sinkenden Leistungsrenditen.

Eines der Probleme ist, dass sich Wissenschaftler immer noch mit der grundlegenden Physik hinter Batterien auseinandersetzen und herausfinden, dass sie in einigen Fällen alles falsch gemacht haben.

Letzte Woche haben die Forscher in der Zeitschrift Nature Communications ein neues Verständnis dafür entwickelt, wie sich Energie innerhalb bestimmter Elektrodentypen in Zellen bewegt, und damit die konventionelle Weisheit aufgehoben, die seit mehr als 80 Jahren herrscht.

Bis vor kurzem haben Forscher mithilfe der Butler-Volmer-Gleichung, die beschreibt, wie elektrische Ströme auf elektrische Potentiale reagieren, modelliert, wie sich Elektronen in Kathoden und Anoden bewegen. Der Chemiker Max Volmer beschrieb diese Beziehung 1930 und baute auf Arbeiten des Chemikers John Alfred Valentine Butler auf, die auf empirischen Messungen beruhten.

Experimente zu dieser Zeit bestätigten diese Ergebnisse, aber als die Forscher neue Batterietypen entwickelten und bessere Testinstrumente entwickelten, begann das Modell zusammenzubrechen.

Eine Panne 2.000 Papiere verpasst?

Peng Bai, Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology und Mitautor, sagte, diese Idee habe sein Interesse geweckt, als er auf ein japanisches Experiment mit Lithiumeisenphosphatzellen stieß. "Die traditionelle Butler-Volmer-Gleichung passte nicht zu diesen Daten", sagte er.

Es war überraschend, dass die Wissenschaftler das Verhalten von Lithiumeisenphosphat angesichts seiner Verbreitung nicht vollständig verstanden haben. "Es ist weit verbreitet in kommerziellen Batterien", sagte Bai. "Dieses Material wurde von mehr als 2.000 Papieren untersucht."

In vielen früheren Studien wurde angenommen, dass die Leistung einer Lithiumeisenphosphatbatterie davon abhängt, wie schnell sich Lithiumionen zwischen dem flüssigen Elektrolyten und der festen Elektrode bewegen können. Bai und sein Berater, Professor für Chemieingenieurwesen am MIT, Martin Bazant, testeten dies mit einer Zelle, die eine poröse Elektrode mit einer Kohlenstoffbeschichtung verwendete.

Bei der Analyse der Leistung stellten die Forscher fest, dass die Butler-Volmer-Gleichung nicht gut zu den Ergebnissen passte, aber ein anderes Modell, die Marcus-Hush-Chidsey-Theorie, stimmte mit der Energieabgabe überein. Die Theorie regelt, wie sich Elektronen auf atomarer Ebene bewegen. In diesem Fall bedeutet dies, dass die Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen zwischen der porösen Elektrode und ihrer Kohlenstoffbeschichtung bewegen, der Hauptbeschränkungsfaktor für die Leistung der Zelle ist. Im Gegensatz dazu ist die Lithiumionenbewegung zu schnell, um eine wichtige Rolle für die Leistung des Akkus zu spielen.

Die beiden Modelle standen besonders an den Rändern der Zellleistung auseinander. "Der Unterschied liegt wirklich im Hochspannungsregime", sagte Bai. "In meiner Arbeit tritt der Unterschied bei Spannungen von mehr als 100 Millivolt auf."

Der Weg zu besseren Batterien

Die Forscher müssen daher Elektronentransferraten in ihre Modelle für Batterien einbeziehen, da sonst die tatsächliche Leistung nicht mit Simulationen übereinstimmt. Die Ergebnisse eröffnen auch neue Wege zur Optimierung der Batterieleistung, beispielsweise durch die Verwendung von Nanopartikelstrukturen.

Rudolph Marcus, ein Chemieprofessor am California Institute of Technology, der nicht an dieser Forschung beteiligt war, beschrieb den Bericht als "einen großen Schritt vorwärts, insbesondere für die Nanotechnologie".

Marcus 'Arbeit über Elektronentransferreaktionen, die ihm 1992 den Nobelpreis für Chemie einbrachte, bildete die Grundlage für die in Bais Studie beschriebenen Mechanismen. Ein besseres Verständnis der Grundlagen könnte laut Marcus eines Tages zu erheblichen Leistungssteigerungen bei Batterien führen. Dies würde eine Reihe sauberer Technologien von Netzbatterien ermöglichen, um Leistungsschwankungen von Windkraftanlagen und Sonnenkollektoren bis hin zu emissionsfreien Fahrzeugen auszugleichen.

Der Ansatz besteht nun darin, jeden Schritt im Betrieb einer Zelle zu untersuchen. "Wenn es um Details für einzelne Schritte und Prozesse geht, gibt es immer Raum für Verbesserungen", sagte Marcus.

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