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pte20210514001 Umwelt/Energie, Forschung/Entwicklung

Fehler machen Lithium-Ionen-Akkus besser

Wissenschaftler nutzen 3D-Bilder und nachen großen Schritt in Richtung feuersichere Batterie


Elektrolytkristall im Strahlengewitter: Akkus werden sicherer (Bild: acs.org)
Elektrolytkristall im Strahlengewitter: Akkus werden sicherer (Bild: acs.org)

Ithaca/Lemont/Washington (pte001/14.05.2021/06:00) - Ohne Fehlstellen in Halbleitermaterialien gäbe es keine Mikroelektronik. Dieses nahezu jedem geläufige Wissen haben Forscher verschiedener US-Institutionen genutzt, um die Tür zu besseren Festkörperbatterien auf Lithium-Basis zu öffnen. Dieser Batterietyp nutzt als Elektrolyt, der den fürs Laden und Entladen nötigen Ionentransport ermöglicht, einen Festkörper, der - anders als die heute üblichen flüssigen Elektrolyte - Brände und Explosionen eines solchen Stromspeichers verhindert.

Fehlstellen wirken wie Katapult

Festkörperelektrolyte haben auf der anderen Seite einen entscheidenden Nachteil. Sie lassen Ionen längst nicht so schnell durch wie flüssige Elektrolyte. Das verlängert die Ladezeit und verringert die Kapazität. Das Team, angeführt von Forschern der Cornell University http://cornell.edu , hat festgestellt, dass Fehlstellen in einem Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid-Elektrolyten auf Ionen wie ein Katapult wirken. Sie werden massiv beschleunigt. Das Ergebnis haben sie in den "Nano Letters" der American Chemical Society http://acs.org publiziert.

Andrej Singer, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und sein Kollege David Croll haben Synchrotronstrahlung genutzt, um die innere Struktur des Elektrolyten sichtbar zu machen. Als Quelle kam die Advanced Photon Source im Argonne National Laboratory http://www.anl.gov des US-Energieministeriums in Lemont zum Einsatz, die Synchrotronstrahlen erzeugt. Das sind extrem scharf gebündelte, sehr helle Röntgenstrahlen, die Materie durchdringen und Bilder der Struktur erzeugen, so wie es die Klinik bei einem gebrochenen Bein macht. Wie bei einem Computertomografen entsteht ein 3D-Bild.

Materialfehler gezielt herbeiführen

"Man nahm an, dass diese Elektrolyte perfekte Kristalle sind. Wir stellen jedoch Mängel wie Versetzungen und Korngrenzen fest. Ohne unsere 3D-Bildgebung, die äußerst empfindlich auf Defekte reagiert, wäre es wahrscheinlich unmöglich, diese zu erkennen, weil sie extrem klein sind. Wir stehen jetzt am Anfang einer neuen Möglichkeit, effektive Festkörperelektrolyte zu entwickeln. Wir können Materialfehler möglicherweise gezielt herbeiführen, um den Elektrolyten entscheidend zu verbessern", verdeutlicht Yifei Sun, Doktorandin an der Cornell University.

(Ende)
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