Während auf der Consumer Electronics Show (CES) 2024 die neuesten Errungenschaften in Künstlicher Intelligenz und Gesundheitstechnologie im Mittelpunkt standen, zeichnet sich im Hintergrund eine revolutionäre Entwicklung in der Batterietechnologie ab, die eine wesentlich effizientere Energieversorgung ermöglicht. Besonders im Bereich der Elektrofahrzeuge (E-Autos) wird diese Technologie intensiv erforscht, mit dem Ziel, die Reichweite auf 1.000 km pro Ladung zu steigern. Aktuelle E-Autos erreichen etwa 700 km, doch das Ziel liegt deutlich höher.
Silizium als Schlüsselkomponente
Ein Team um Professor Soojin Park, den Doktoranden Minjun Je und Dr. Hye Bin Son von der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Südkorea hat einen wesentlichen Fortschritt erzielt. Sie entwickelten ein kostengünstiges und leistungsstarkes Batteriesystem mit hoher Energiedichte, das auf Mikrosilizium-Partikeln und Gel-Polymer-Elektrolyten basiert. Ihre Ergebnisse wurden am 17. Januar in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlicht.
Herausforderungen und Lösungen
Der Einsatz von Silizium in Batterien ist zwar vielversprechend aufgrund seiner hohen Speicherkapazität, bringt aber Herausforderungen mit sich: Silizium dehnt sich beim Laden um mehr als das Dreifache aus und zieht sich beim Entladen wieder zusammen, was die Effizienz der Batterie beeinträchtigt. Während nano-großes Silizium (10-9 m) einen Teil dieser Probleme löst, ist seine Herstellung komplex und teuer. Mikro-großes Silizium (10-6 m) hingegen ist kosteneffizient und bietet eine hohe Energiedichte, doch die Volumenexpansion bei der Batterienutzung begrenzt seinen Einsatz als Anodenmaterial.
Das Forschungsteam setzte auf Gel-Polymer-Elektrolyte, um ein kostengünstiges und stabiles Silizium-basiertes Batteriesystem zu entwickeln. Im Gegensatz zu herkömmlichen flüssigen Elektrolyten sind Gel-Elektrolyte fest oder gelartig und weisen eine elastische Polymerstruktur auf, die eine höhere Stabilität bietet.
Durch den Einsatz eines Elektronenstrahls wurden kovalente Verbindungen zwischen Mikrosilizium-Partikeln und Gel-Elektrolyten geschaffen. Diese Verbindungen verteilen den internen Stress, der durch die Volumenexpansion bei der Batterienutzung entsteht, und verbessern so die strukturelle Stabilität.
Ergebnisse und Ausblick
Das Batteriesystem zeigte eine stabile Leistung selbst mit Mikrosilizium-Partikeln (5μm), die hundertmal größer sind als die traditionell verwendeten Nano-Silizium-Anoden. Zudem bot das von der Forschungsgruppe entwickelte Silizium-Gel-Elektrolyt-System eine Ionenleitfähigkeit, die vergleichbar mit herkömmlichen Batterien mit flüssigen Elektrolyten ist, und eine um etwa 40% verbesserte Energiedichte. Der einfache Herstellungsprozess macht das System sofort einsetzbar.
Fazit
Dieser Fortschritt bringt uns der Realisierung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen mit hoher Energiedichte einen großen Schritt näher. Solche Entwicklungen könnten nicht nur die Reichweite und Leistung von E-Autos erheblich steigern, sondern auch einen bedeutenden Einfluss auf die Kosten und die Umweltverträglichkeit haben.
Quelle:
https://www.postech.ac.kr/eng/evs-that-go-1000km-on-a-single-charge-gel-makes-it-possible/
