Von Laptops über Smartphones bis hin zur aufstrebenden Elektroautoindustrie ist unsere Welt zunehmend auf wiederaufladbare Batterien angewiesen. Aber wie jeder weiß, der seit einigen Jahren einen Laptop besitzt, verlieren Akkus schließlich die Fähigkeit, eine vollständige Ladung zu halten.
Wissenschaftler haben nie wirklich verstanden, warum dies passiert, was es zu einem schwierigen Problem gemacht hat, es zu beheben. Laut zwei kürzlich veröffentlichten Studien von Forschern des US-Energieministeriums, die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, sind wir einer Batterie näher als je zuvor, die sich nicht verschlechtert.
Die Wissenschaftler haben speziell mit Lithium-Ionen-Batterien gearbeitet, die aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Kapazität häufig in Verbrauchergeräten verwendet werden. Sie haben den Lade- und Entladevorgang auf milliardstel Meter genau abgebildet, um die Funktionsweise der Degradation besser zu verstehen. Sie entdeckten zwei Schuldige an der Verschlechterung der Batterie. Das erste: Mikroskopische Schwachstellen in der Struktur des Batteriematerials lenken die Lithiumionen willkürlich durch die Zelle und erodieren die Batterie auf scheinbar zufällige Weise, ähnlich wie sich Rost über Unvollkommenheiten in Stahl ausbreitet. In der zweiten Studie, in der es darum ging, das beste Gleichgewicht zwischen Spannung, Speicherkapazität und maximalen Ladungszyklen zu finden, stellten die Forscher nicht nur ähnliche Probleme mit dem Ionenfluss fest, sondern auch winzige Ansammlungen von Kristallen im Nanomaßstab, die durch chemische Reaktionen zurückbleiben Der Ionenfluss wird nach jeder Ladung noch unregelmäßiger. Batterien mit höheren Spannungen betreiben führte auch zu mehr Ionenpfadunregelmäßigkeiten und damit zu einer sich schneller verschlechternden Batterie.
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Es mag den Anschein haben, als hätten Wissenschaftler die Batterie vor Jahrzehnten vollständig verstehen müssen - eine Technologie, die es seit 1800 gibt. Huolin Xin, Materialwissenschaftler am Brookhaven Lab und Mitverfasser beider Studien, sagt, die erfolgreiche Kombination neuer Technologien sei erst kürzlich verfügbar geworden.
„Viele moderne Charakterisierungswerkzeuge wie aberrationskorrigierte Elektronenmikroskope und neue Synchrotron-Röntgentechniken waren vor 10 Jahren noch nicht verfügbar“, sagt Xin. Aber jetzt, sagt er, können sie auf das Studium von Lithium-Ionen-Batterien angewendet werden.
Die neuen Daten geben den Forschern ein klareres Bild davon, wie diese Batterien funktionieren, was in nicht allzu ferner Zukunft zu langlebigeren Batterien in der Unterhaltungselektronik führen könnte. Es bringt aber auch neue Probleme mit sich. Laut Xin ist die Maximierung der Oberfläche wichtig für die Batterieleistung, aber eine größere Oberfläche erleichtert wahrscheinlich auch die Verschlechterung.
"Um [Oberflächenverschlechterung] zu verhindern, können wir entweder die Kathode mit einer Schutzschicht überziehen", sagt Xin, "oder diese Oberflächen verbergen, indem wir Grenzen innerhalb der mikrometergroßen Pulver [innerhalb der Zelle] schaffen."
Die effizientesten und kostengünstigsten Methoden dafür zu finden, wird Teil einer zukünftigen Forschungsphase sein.
Daniel Abraham, ein Wissenschaftler, der sich am Argonne National Laboratory außerhalb Chicagos mit der Erforschung von Lithium-Ionen-Batterien befasst, ist jedoch skeptisch, dass die neuen Studien einen echten Durchbruch darstellen. Er sagt, dass Kartierungsarbeiten mit ähnlichen Materialien in der Vergangenheit durchgeführt wurden, auch von seinem Team vor etwa 12 Jahren. Er ist außerdem der Ansicht, dass der Batterieverbrauch möglicherweise höher ist als die Ergebnisse der neuen Studien.
"Sie versuchen, eine Korrelation zwischen Leistungsabfall und den Bildern herzustellen, die sie sehen, was möglicherweise nicht korrekt ist", sagt Abraham. "Es ist teilweise die Geschichte, aber ich glaube nicht, dass es die ganze Geschichte ist."
Xin ist optimistischer, dass die Arbeiten nicht nur für zukünftige Elektrofahrzeuge, sondern auch für tragbare Elektronikgeräte zu Verbesserungen der Batterie führen werden.
"Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Kathode wurde kürzlich als das einzige kommerziell brauchbare Material für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation identifiziert", sagt Xin. "Durch die Lösung des Problems der Verschlechterung können wir die Akkus der nächsten Generation verkleinern und sie zuverlässiger laden und entladen."
Die beiden Batterieexperten sind sich jedoch einig, dass es für viele wichtige zukünftige Anwendungen genauso wichtig ist, einen Weg zu finden, um Batterien herzustellen, die sich nicht so schnell abnutzen, wie Batterien mit einer höheren Kapazität.
Xin weist darauf hin, dass die Käufer von Elektroautos sich zu Recht Sorgen über das Versagen der Batterie machen, nachdem ihre Garantie abgelaufen ist. Abraham merkt an, dass Sie für Elektrofahrzeuge wahrscheinlich nur ein paar Jahre Leistung mit dem Akku Ihres Smartphones oder Tablets benötigen. Die meisten Besitzer suchen jedoch nach einem Akku, der 10 bis 15 Jahre hält. Und für die Verwendung im Stromnetz (um überschüssige Energie zu speichern, die außerhalb der Stoßzeiten erzeugt wird) sollten Batterien eine Lebensdauer von mindestens 30 Jahren haben.
Das macht das Bauen eines besseren Akkus für Ihren Laptop viel einfacher als das Lösen von Langlebigkeitsproblemen in anderen Bereichen.
"Es ist gut, eine höhere Energiedichte zu haben, aber wenn man eine hohe Energiedichte, aber keine lange Lebensdauer hat, kommt die wirtschaftliche Rentabilität dieser Technologien in Frage", sagt Abraham. "Wenn Sie jedoch nachweisen können, dass Sie über eine neue Technologie verfügen und diese zwischen zwei und 30 Jahren halten kann, wird dies sofort wirtschaftlich umsetzbar."
Die Arbeit von Xin und seinen Kollegen kann Forschern helfen, Batterien zu entwickeln, die sich nicht so schnell zersetzen. Es ist jedoch klar, dass weitere Durchbrüche erforderlich sind, bevor wir wiederaufladbare Batterien sehen, die ein Jahrzehnt oder länger ohne ernsthaften Verschleiß auskommen.
