CLEMSON, South Carolina - Elektrisierende Forschungsarbeiten von Wissenschaftlern der Clemson University könnten zur Entwicklung von leichteren, schneller aufladbaren Batterien führen, die sich für den Betrieb eines Raumanzugs oder sogar eines Mars-Rovers eignen.
Über die von der NASA finanzierten Forschungsarbeiten wurde kürzlich in einem Artikel mit dem Titel "Three-Dimensional Si Anodes with Fast Diffusion, High Capacity, High Rate Capability, and Long Cycle Life" (Dreidimensionale Si- Anoden mit schneller Diffusion, hoher Kapazität und langer Lebensdauer) berichtet, der in der Fachzeitschrift Applied Materials and Interfaces der American Chemical Society erschien. Zu den Autoren gehören Shailendra Chiluwal, Nawraj Sapkota, Apparao M. Rao und Ramakrishna Podila, die alle dem Clemson Nanomaterials Institute (CNI) angehören.
Leichtere, schneller aufladbare Batterien könnten einen Raumanzug effektiver mit Energie versorgen.
Image Credit: NASA artist's rendering
Podila, Assistenzprofessor in der Abteilung für Physik und Astronomie des College of Science, sagte, dass die revolutionären neuen Batterien schon bald in US-Satelliten eingesetzt werden könnten.
"Die meisten Satelliten beziehen ihre Energie hauptsächlich von der Sonne", sagte Podila. "Aber die Satelliten müssen in der Lage sein, Energie zu speichern, wenn sie sich im Erdschatten befinden. Wir müssen die Batterien so leicht wie möglich machen, denn je mehr der Satellit wiegt, desto mehr kostet seine Mission".
Podila sagte, dass man sich die Graphitanode in einer Lithium-Ionen-Batterie wie ein Kartenspiel vorstellen kann, bei dem jede Karte eine Graphitschicht darstellt, die dazu dient, die Ladung zu speichern, bis Strom benötigt wird. Das Problem, so Podila, ist, dass "Graphit nicht viel Ladung speichern kann".
Das Clemson-Team entschied sich für Silizium, das mehr Ladung aufnehmen kann, was bedeutet, dass mehr Energie in leichteren Zellen gespeichert werden kann. Während Wissenschaftler seit langem die hohe Kapazität von Silizium für die elektrische Speicherung schätzen, zerfällt dieses Material beim Laden und Entladen in kleinere Teile. Die Lösung, die das Team gefunden hat, besteht in der Verwendung winziger Siliziumpartikel in "Nanogröße", die die Stabilität erhöhen und eine längere Lebensdauer ermöglichen. Anstelle eines Kartenspiels aus Graphit verwenden die neuen Batterien Schichten aus einem Kohlenstoffnanoröhrenmaterial namens Buckypaper, zwischen denen die Silizium-Nanopartikel eingebettet sind.
Mit dieser Art von interner Verpackung sind die Siliziumpartikel, selbst wenn sie zerbrechen, "immer noch im Sandwich", so Podila.
"Die freistehenden Schichten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen halten die Silizium-Nanopartikel elektrisch miteinander verbunden", sagte Shailendra Chiluwal, Doktorand am CNI und Erstautor der Studie. "Diese Nanoröhren bilden eine quasi-dreidimensionale Struktur, halten die Silizium-Nanopartikel auch nach 500 Zyklen noch zusammen und mildern den elektrischen Widerstand, der durch das Zerbrechen der Nanopartikel entsteht."
Die Verwendung von Batterien aus Silizium und anderen Nanomaterialien erhöht nicht nur die Kapazität, sondern ermöglicht auch das Aufladen der Batterien mit einem höheren Strom, was zu schnelleren Ladezeiten führt. Wie jeder weiß, dessen Handy schon einmal während eines Telefonats den Geist aufgegeben hat, ist dies ein wichtiges Merkmal der Batterietechnologie.
Die schnellere Aufladung ist möglich, weil die neuen Batterien auch Nanoröhren als Puffermechanismus verwenden, der eine viermal schnellere Aufladung als derzeit möglich ermöglicht.
Leichtere Batterien, die sich schneller aufladen lassen und eine wesentlich höhere Effizienz aufweisen, werden nicht nur für die Astronauten, die batteriebetriebene Anzüge tragen, ein Segen sein, sondern auch für die Wissenschaftler und Ingenieure, die die Astronauten an ihr Ziel bringen müssen.
"Silizium als Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie ist der 'heilige Gral' für Forscher auf diesem Gebiet", sagte Rao, Direktor des CNI und Hauptprüfer des NASA-Zuschusses. Rao sagte auch, dass die neuen Batterien bald ihren Weg in Elektrofahrzeuge finden werden.
"Unser nächstes Ziel ist es, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um diese laborgestützte Technologie auf den Markt zu bringen", sagte Podila, korrespondierender Autor der Studie und Co-Investor im Rahmen des NASA-Zuschusses. "Wir sind der NASA und South Carolina EPSCoR dankbar für die Gewährung eines Preises zur Durchführung solcher Projekte, die nachhaltige Auswirkungen auf Weltraummissionen und die globale Energielandschaft haben werden."
Diese Arbeit wurde durch zwei verschiedene Auszeichnungen finanziert: eine NASA-EPSCoR-Auszeichnung (Nummer NNH17ZHA002C) und eine South Carolina EPSCoR/IDeA Program-Auszeichnung (Nummer 18-SR03).
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Dieser Artikel wurde ursprünglich vom College of Science der Clemson University veröffentlicht.
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