Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Trockenakku für mehr Sicherheit

16.08.2016

Forschende der ETH Zürich entwickelten einen Lithium-Ionen-Akku, der ausschliesslich aus festem Material besteht – er enthält weder Flüssigkeiten noch Gele. Selbst bei sehr hohen Temperaturen kann er sich nicht entzünden. Die neuen Akkus haben somit einen Sicherheitsvorteil gegenüber herkömmlichen Batterien, und sie ermöglichen ganz neue Formen des Batteriedesigns.

In Lithium-Ionen-Akkus kann man auf kleinem Raum viel Energie speichern. Dies macht sie zur Energiequelle der Wahl für mobile Elektronikgeräte. Handys, Laptops, E-Bikes und Elektroautos werden heute mit solchen Akkus betrieben. Forschende der ETH Zürich haben nun einen Akku-Typen entwickelt, der im Gegensatz zu den herkömmlichen ausschliesslich aus festen chemischen Verbindungen besteht und nicht entzündlich ist.


Eine Scheibe des (weissen) Lithiumgranat-Elektrolyten, beschichtet mit einer (schwarzen) Lithiumverbindung als Minuspgarol im Labor der ETH-Forschenden.

ETH Zürich / Fabio Bergamin

Klassische Lithium-Ionen-Akkus sind nämlich nicht ganz ungefährlich: Mehrfach sind in der Vergangenheit Handybatterien explodiert, was zu Verletzungen geführt hat. Und in der Altstadt von Steckborn am Bodensee brannte vor einem halben Jahr eine ganze Häuserzeile nieder. Ausgelöst wurde der Grossbrand durch einen Modellbau-Akku, der Feuer fing, weil er mutmasslich unsachgemäss aufgeladen wurde.

Festkörperakkus kann man stark erhitzen

In klassischen Lithium-Ionen-Akkus sowie in den meisten anderen Batterien sind der Plus- und Minuspol – die beiden Elektroden – aus festen leitenden Verbindungen gefertigt; zwischen diesen Elektroden bewegen sich Ladungen in einem flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten. Lädt man einen solchen Akku unsachgemäss auf (überlädt man ihn) oder lässt man ihn in der Sonne liegen, kann sich die Flüssigkeit entzünden oder das Gel kann aufquellen.

Anders in sogenannten Festkörperakkus (engl. solid state batteries), die sich zurzeit in vielen Forschungslabors weltweit in Entwicklung befinden: In ihnen sind nicht nur die Elektroden, sondern auch der dazwischenliegende Elektrolyt aus festem Material gefertigt. «Feste Elektrolyte beginnen nicht zu brennen, selbst wenn sie sehr stark erhitzt werden oder offen an der Luft liegen», erklärt Jennifer Rupp. Sie ist Professorin für elektrochemische Materialien an der ETH Zürich und leitete die Entwicklung des neuen Akku-Typen.

Forschung an der Grenzfläche

Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von Festkörperakkus ist, Elektroden und Elektrolyt so miteinander zu verbinden, dass Ladungen möglichst widerstandsfrei zwischen ihnen zirkulieren können. Für diese Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche haben die ETH-Forschenden nun einen verbesserten Herstellungsansatz gefunden.

Im Labor stellten sie einen sandwichartig aufgebauten Akku her: Zwischen den beiden Elektroden liegt eine Schicht einer lithiumhaltigen Verbindung (Lithiumgranat) als fester Elektrolyt. Lithiumgranat gehört zu den Materialien mit der höchsten bekannten Leitfähigkeit für Lithium-Ionen.

«Bei der Herstellung sorgten wir dafür, dass die feste Elektrolytschicht eine poröse Oberfläche erhielt», sagt Jan van den Broek, Master-Student in Rupps Gruppe und einer der Erstautoren der Studie. Darauf trugen die Forschenden das Material des Minuspols in flüssiger Form auf; es konnte in die Poren eindringen. Schliesslich härteten die Wissenschaftler den Akku bei 100 Grad Celsius.

«Mit einem flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten hätte man einen Akku nicht auf so hohe Temperaturen erhitzen können», so van den Broek. Dank dem Trick mit den Poren konnten die Forschenden die Kontaktfläche zwischen Minuspol und Elektrolyt stark vergrössern, was letztlich den Effekt hat, dass der Akku schneller geladen werden kann.

Höhere Temperaturen für grössere Kapazität

So hergestellte Akkus könnte man theoretisch bei normaler Umgebungstemperatur betreiben, sagt Semih Afyon, ehemaliger Wissenschaftler in Rupps Gruppe und heute Professor am Izmir Institute of Technology in der Türkei. Wirklich gut funktionieren sie im gegenwärtigen Entwicklungsstand allerdings erst bei etwa 95 Grad. «Die Lithium-Ionen können sich dann besser im Akku bewegen», so Afyon.

Diesen Umstand könnte man beispielsweise in Batterie-Speicherkraftwerken nutzen, die überschüssige Energie speichern und zeitversetzt abgeben können. «In vielen Industrieprozessen entsteht heute Abwärme, die ungenutzt verpufft», sagt Afyon. «Indem man Batterie-Speicherkraftwerke mit Industrieanlagen koppelt, könnte man die Abwärme nutzen, um das Speicherkraftwerk bei optimalen Temperaturen zu betreiben.»

Neue Dünnschichtakkus

«Viele derzeitige Festkörperakku-Forschungsprojekte fokussieren sich auf die Verbesserung der Elektrolyte», sagt Afyon. Es gebe nur wenige Studien wie diese, in der Wissenschaftler einen ganzen Festkörper-Akku zusammenbauen – mit den Methoden, die auch in der industriellen Produktion zum Einsatz kommen – und testen.

«Wir haben in dieser Arbeit erstmals einen ganzen Lithium-Ionen-Akku mit einem festen Lithiumgranat-Elektrolyten und einem festen Minuspol aus einem Oxid hergestellt. Damit haben wir gezeigt, dass es möglich ist, mit Lithiumgranat ganze Batterien zu bauen», sagt ETH-Professorin Rupp. Dank diesem festen Elektrolyten könne man nicht nur Batterien bei höheren Temperaturen betreiben, sondern auch Dünnschichtakkus bauen. Darunter solche, die man direkt auf Siliziumchips platzieren könne.

«Diese Dünnschichtakkus könnten die Energieversorgung von tragbaren Elektronikgeräten revolutionieren», sagt Rupp. In weiterer Forschung verfolge sie und ihr Team diesen Ansatz weiter. Dazu arbeiteten sie auch mit Industriepartnern zusammen sowie dem Paul Scherrer Institut und der Empa. In den unmittelbar nächsten Schritten wird es darum gehen, den Akku zu optimieren, insbesondere die Leitfähigkeit an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche weiter zu erhöhen.

Literaturhinweis

Van den Broek J, Afyon S, Rupp JLM: Interface-Engineered All-Solid-State Li-Ion Batteries Based on Garnet-Type Fast Li+ Conductors. Advanced Energy Materials 2016, 1600736, doi: 10.1002/aenm.201600736 [http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201600736]

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/08/festkoerpe...

News und Medienstelle | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Geräteschutzschalter erfüllt NEC Class 2
19.05.2017 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

nachricht Elektronikgehäuse für Anzeigeeinheiten
19.05.2017 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften