Ihr nächster Akku könnte auf Papier gedruckt werden

Die Turbulenzen in der Lieferkette scheinen überall zu sein, ausgehend von Halbleitern bis hin zu einer Reihe von Rohstoffen. Mit den stark schwankenden Preisen für Rohstoffe und natürliche Ressourcen aufgrund geopolitischer Ereignisse und der wachsenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen könnte die Welt bis 2025 einem Lithiummangel gegenüberstehen (laut einer Einschätzung der Internationalen Energieagentur). Angesichts der wachsenden Lithiumnachfrage haben Forscher in der Wissenschaft und Industrie nach alternativen Batteriematerialien gesucht, um diese Herausforderungen zu überwinden.

Eine der interessantesten Entwicklungen wurde von Forschern der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) erzielt. Die Forschungsergebnisse wurden in einer aktuellen Ausgabe von Nature veröffentlicht. Sie kündigten ein innovatives, wasseraktiviertes Batteriematerial an, das auf ein Blatt Papier gedruckt werden kann. Theoretisch könnte dieses elektrochemisch aktive Material auf jedes Substratmaterial gedruckt werden, wie zum Beispiel einen flexiblen Isolator wie Plastik.

Obwohl niemand den Einsatz von Papierbatterien für Elektrofahrzeuge vorschlägt, kann das Material in einer einzelnen Zelle bis zu 1,2 V liefern (vergleichbar mit Ni-MH-Batteriechemien). Daher könnten Stapel dieses Materials als kleine Wegwerfbatterie für Handelektronik oder andere kleine Geräte verwendet werden. Dies ist nicht die Wunderlösung für Lithiumknappheit, aber diese alternativen Materialien könnten es ermöglichen, Lithium in viel kritischere Bereiche wie EVs umzuleiten.

Ein auf Tinte basierendes Batteriematerial

Das von den Forschern der Empa entwickelte Material ist tatsächlich ein kohlenstoffbasiertes Schichtmaterial, das Graphit, Ruß, Zink als Anode und Salz umfasst. Die auf Kohlenstoff und Salz basierende Chemie kann mit der Anwendung von Wasser aktiviert werden, wie unten beschrieben. Die geschichtete Struktur dieses Batteriematerials wird in der untenstehenden Grafik gezeigt.

Die oberen und unteren Schichten aus Graphit + Ruß wirken als die aktiven Schichten, die an der elektrochemischen Reaktion der Batterie teilnehmen. Wenn sie mit einem Salz beschichtet und Wasser ausgesetzt werden, kann die resultierende elektrochemische Reaktion dazu führen, dass Strom durch einen angeschlossenen Schaltkreis fließt.

Diese besondere Entdeckung ist kein praktikables System, es ist nur eine Demonstration einer neuen Chemie, die genug Energie erzeugt, um kleine Elektronik zu betreiben. Die Energieausgabe, die mit Ni-MH- und Alkalibatterien kompatibel ist, zeigt, dass das Material aus elektrochemischer Sicht lebensfähig ist. Der kommerzielle Aspekt ist eine andere Angelegenheit, wie ich unten darlege.

Ist dies also ein Ersatz für die Standardbatteriechemien, mit denen wir alle vertraut sind? Wahrscheinlich nicht, aber Kohlenstoffmaterialien werden in Li-basierten Chemien als Anodenmaterial verwendet und bieten mehrere Vorteile für elektrifizierte Systeme.

Alternative Materialien attraktiv, aber lange Entwicklungszeit

Obwohl alternative Batteriematerialien, die darauf abzielen, bestehende Chemikalien (einschließlich Lithium) vollständig zu ersetzen, ein fortlaufendes Forschungsthema sind, hat dieser Weg eine lange Strecke vor sich und der Pfad zur Kommerzialisierung ist mit Risiken behaftet. Daher hat sich die Batteriematerialindustrie auf Verbesserungen im Batteriedesign konzentriert, einschließlich der Verwendung ähnlicher Materialien, die die Batterieleistung verbessern, ohne die Chemie in den Batterien zu ändern.

Warum sollten wir uns um Änderungen der Batteriechemie kümmern? Aus der Perspektive der Nachhaltigkeit und der Sicherstellung, dass die Elektrifizierungsnachfrage erfüllt werden kann, ist die Suche nach einer alternativen Chemie, die mit Lithium vergleichbar ist, ein attraktiver Weg. Das Problem ergibt sich aus der Kommerzialisierung: Li-basierte und andere metallbasierte Chemien sind gut verstanden und wurden bereits aus Sicherheitsperspektive qualifiziert. Dies macht den Aufbau auf den grundlegenden Li-basierten Chemien aus Sicht von Risiko und Haftung zu einer attraktiven Option. Wenn eine neue Chemie entwickelt wird und es einen Weg zur Kommerzialisierung gibt, muss die neue Chemie ein gewisses Maß an regulatorischer Konformität sowie den Nachweis der Zuverlässigkeit gegenüber Kunden demonstrieren.

Aus diesen Gründen lag der jüngste Fokus unter den Entwicklern von Batteriematerialien in der Industrie auf der Verwendung von Kohlenstoffmaterialien für inkrementelle Verbesserungen innerhalb bestehender Batteriedesigns. Batteriedesigner können vorhandenes Wissen über Batterieherstellung, -tests und Qualitätskontrolle in diesen neuen Batteriedesigns nutzen und dennoch die Vorteile der kohlenstoffbasierten Chemie erhalten.

Einige der wichtigsten Vorteile von kohlenstoffbasierten Materialien, die in bestehenden Batteriechemien verwendet werden, umfassen:

Eines der wichtigsten kohlenstoffbasierten Materialien, die entwickelt werden, um Li-Ionen-Batterien zu verbessern, ist funktionalisierter Graphit, der leicht hergestellt und verwendet werden kann, um Anoden für Li-Ionen-Batteriesysteme zu bauen. Ein weiteres kohlenstoffbasiertes Material sind Kohlenstoffnanoröhren, die von ihrem hohen ballistischen Ladungstransport entlang der axialen Richtung profitieren. Wenn sie in Batteriesystemen eingesetzt werden, bieten diese Materialien höhere Ladungs-/Entladungsraten und Kapazitäten in einer bereits zuverlässigen Batteriechemie.

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