Forscher der Cornell University haben eine neue Anwendung des Elements Indium entwickelt, um die Effizienz von Lithium-Batterien, einem grundlegenden Bestandteil von Elektrofahrzeugen, zu verbessern.
Indium ist ein chemisches Element, das üblicherweise in Touchscreens, Fernsehgeräten und Solarmodulen verwendet wird. In einer Studie, die am 26. Januar in
Joule veröffentlicht wurde und von Shuo Jin und seinem Team an der Cornell geleitet wurde, wurde Indium als Batteriekomponente identifiziert, die eine schnelle Aufladung und eine langanhaltende Energiespeicherung ermöglicht. Unter Verwendung der Studienergebnisse haben die Cornell-Forscher eine Batterie entwickelt, die in weniger als fünf Minuten aufgeladen wird.
Obwohl die Entwicklung von Elektrofahrzeugen entscheidend ist, um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren, bleibt ihr Preis oft für die meisten Verbraucher unerschwinglich. Doch laut Professor Lynden Archer, Dekan der Fakultät für Ingenieurwesen an der Cornell, stellt die neue Batterie einen Fortschritt in Richtung einer besseren Zugänglichkeit von Elektrofahrzeugen dar. "[Elektrofahrzeughersteller] haben sich darauf konzentriert, größere Batterien für eine größere Reichweite zu bauen", sagte Lynden Archer. "[Diese größeren Batterien] kosten viel mehr... die Branche endet damit, spezialisierte Produkte herzustellen, die sich nur ein Teil der Gesellschaft leisten kann."
Indium zeichnet sich als einzigartige Batteriekomponente durch eine ungewöhnlich schnelle Festphasendiffusion für Lithium aus. Diese Festphasendiffusion bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials - in diesem Fall geladener Lithiumatome - sich durch die festen Materialien der positiven Elektrode zu bewegen, dort, wo der Strom in der Batterie fließt. Diese Bewegung von geladenen Lithiumatomen erzeugt einen elektrischen Strom, der anschließend als Energie für spätere Verwendung gespeichert wird. Dank einer Indium-Anode, die eine schnellere Diffusion der Lithiumionen ermöglicht, kann die Batterie in nur wenigen Minuten aufgeladen werden.
Zudem hilft Indium dabei, die geladenen Lithiumatome gleichmäßig zu verteilen, was die Integrität der Elektrode, besonders bei wiederholten Ladezyklen, erhält. Je stabiler die Elektrode einer Batterie ist, desto seltener muss die Batterie ersetzt werden. "[Das Gleichgewicht zwischen schneller Diffusivität und gleichmäßiger Verteilung] ist das Geheimnis für die Konzeption von sehr schnell aufladbaren Batterien, die lange halten", fügte Lynden Archer hinzu.
Eine Indium-Batterie kann über Hunderte von Zyklen hinweg geladen und verwendet werden, während sie ihre Leistungsfähigkeit beibehält, was für die Langlebigkeit einer Autobatterie wichtig ist. Je öfter eine Batterie verwendet werden kann, bevor sie repariert oder ersetzt werden muss, desto mehr gleicht sie die Umweltauswirkungen ihrer anfänglichen Herstellung aus.
Obwohl es die Aufladeeffizienz und Lebensdauer der Batterie verbessert, ist Indium schwer. Eine schwerere Batterie bedeutet ein schwereres Auto, was viel weniger effizient ist und in der Regel viel mehr Energie benötigt, um dieselben Strecken zurückzulegen. Um diese Gewichtsproblematik anzugehen, haben Lynden Archer und sein Team Indium mit Aluminium gemischt, einem viel leichteren, aber chemisch ähnlichen Element. Da beide wichtige Eigenschaften teilen, könnte die Mischung der beiden Elemente das Gewichtsproblem lösen, ohne die vorteilhaften Eigenschaften des Indiums zu kompromittieren.
Ein wichtiger Teil der Arbeit steht jedoch noch bevor, bevor Batterien mit Indium in Autos integriert werden können. Um eine neue Lithium- und Indium-Batterie in nur fünf Minuten vollständig aufzuladen, müssten die Stationen über einen etwa fünf bis sechs Mal höheren Strom verfügen, als derzeit möglich ist.
Das Forschungsteam plant, die Fähigkeiten und Grenzen von Indium sowie von anderen ähnlichen Elementen weiter zu erforschen. Sie hoffen, den Bedarf an großen Elektrofahrzeugen mit Batterie zu reduzieren und Elektrofahrzeuge einem breiteren Spektrum von Verbrauchern zugänglich zu machen. Durch die Entdeckung weiterer Materialien, die die Batterien von Autos noch weiter verbessern könnten, hofft Lynden Archer, zu leichteren, einfacher herstellbaren und kostengünstigeren Elektroautos beizutragen.
Autor des Artikels: Cédric DEPOND
Quelle: Joule