Große Batteriedurchbrüche bieten vielversprechende Technologie

Eine neue hydrothermale Synthesemethode erzeugt ein kobaltfreies Kathodenmaterial mit gleichmäßigeren, runderen und dichter gepackten Partikeln (rechts) als dies bei heutigen Kathoden üblich ist (links) und sorgt so für mehr Stabilität während des gesamten Batterieladezyklus. Abbildung mit freundlicher Genehmigung des Oak Ridge National Laboratory

Dieser magnetisch angetriebene Hochgeschwindigkeitsmotor reduziert den Einsatz von Seltenerdmaterialien wie Neodym erheblich. Foto mit freundlicher Genehmigung der University of New South Wales

Dieses Bild zeigt die Mikrostruktur und Elementkartierung (Silizium, Sauerstoff und Schwefel) einer porösen schwefelhaltigen Zwischenschicht nach 500 Lade-Entlade-Zyklen in einer Lithium-Schwefel-Batteriezelle. Abbildung mit freundlicher Genehmigung des Argonne National Laboratory

Ingenieure des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben ein neues Verfahren zur Herstellung besserer und billigerer Kathoden für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Es ermöglicht die Herstellung erschwinglicherer Batterien durch einen schnelleren, weniger verschwenderischen Prozess, bei dem weniger giftiges Material verwendet wird.

Die traditionelle Verarbeitung bringt zahlreiche Herausforderungen mit sich. Ein großes Hindernis ist die Abhängigkeit von Kobalt, einem seltenen Metall, das im Ausland abgebaut und raffiniert wird.

Das Gleichgewicht anderer in Kathoden üblicher Metalle kann den Herstellungsprozess ebenfalls länger und gefährlicher machen. Beispielsweise hat eine hohe Nickelkonzentration dazu geführt, dass bei der Kathodenherstellung weit verbreitet ein chemisches Mischverfahren eingesetzt wird, das für korrosive Reaktionen große Mengen Ammoniak erfordert. Die Verwendung dieser giftigen Chemikalie erhöht die Kosten, erhöht die Gesundheits- und Umweltbedenken und verschwendet große Mengen Wasser, um den Säuregehalt zu reduzieren.

Anstatt Kathodenmaterialien kontinuierlich mit Chemikalien in einem Reaktor zu verrühren, nutzt die neue ORNL-Methode einen hydrothermischen Syntheseansatz. Es kristallisiert die Kathode mithilfe von in Ethanol gelösten Metallen. Das Ethanol ist sicherer zu lagern und zu handhaben als Ammoniak und kann anschließend destilliert und wiederverwendet werden.

„Dieser neuartige Prozess bietet den entscheidenden Vorteil, dass er die Kathodenindustrie auf eine sauberere und kostengünstigere Produktion umstellt und gleichzeitig unsere Umwelt weniger belastet“, sagt Ilias Belharouak, Ph.D., ORNLs Hauptforscher für das Projekt.

Die hydrothermale Synthesemethode ist auch viel schneller. Die Zeit, die für die Herstellung der Partikel und die Vorbereitung der nächsten Kathodencharge benötigt wird, sinkt von einigen Tagen auf 12 Stunden.

„Darüber hinaus weist das erzeugte Material gleichmäßigere, runde, dicht gepackte Partikel auf, die sich ideal für eine Kathode eignen“, erklärt Rachid Essehli, leitender Forscher des ORNL. „Da seine Eigenschaften denen heutiger kobaltbasierter Kathoden ähneln, lässt sich das neue Material nahtlos in bestehende Batterieherstellungsprozesse integrieren. Dieses Kathodenmaterial kann mehr Energie liefern und die Kosten für Elektroautobatterien senken.“

Eine neue hydrothermale Synthesemethode erzeugt ein kobaltfreies Kathodenmaterial mit gleichmäßigeren, runderen und dichter gepackten Partikeln (rechts) als dies bei heutigen Kathoden üblich ist (links) und sorgt so für mehr Stabilität während des gesamten Batterieladezyklus. Abbildung mit freundlicher Genehmigung des Oak Ridge National Laboratory

Ingenieure der University of New South Wales (UNSW Sydney) haben einen magnetisch angetriebenen Motor entwickelt, der den Einsatz von Seltenerdmaterialien wie Neodym deutlich reduziert. Das Hochgeschwindigkeitsgerät hat das Potenzial, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen.

Das Design des Prototyps eines innenliegenden Permanentmagnet-Synchronmotors (IPMSM), inspiriert von der Form der längsten Eisenbahnbrücke Südkoreas, hat Geschwindigkeiten von 100.000 Umdrehungen pro Minute erreicht. Die maximale Leistung und Geschwindigkeit, die der Motor erreicht, übertreffen den bestehenden Hochgeschwindigkeitsrekord laminierter IPMSMs und machen ihn zum weltweit schnellsten IPMSM, der jemals mit kommerziell erhältlichen Laminierungsmaterialien gebaut wurde.

Der Motor ist in der Lage, eine sehr hohe Leistungsdichte zu erzeugen, was für Elektrofahrzeuge von Vorteil ist, da das Gesamtgewicht reduziert und die Reichweite bei jeder Ladung erhöht wird.

Bei einem IPMSM sind Magnete in die Rotoren eingebettet, um ein starkes Drehmoment für einen erweiterten Drehzahlbereich zu erzeugen. Bestehende Konstruktionen weisen jedoch aufgrund dünner Eisenbrücken in ihren Rotoren eine geringe mechanische Festigkeit auf, was ihre Höchstgeschwindigkeit begrenzt.

Das UNSW-Gerät verfügt über eine neue Rotortopologie, die die Robustheit erheblich verbessert und gleichzeitig die Menge an Seltenerdmaterialien pro Stromerzeugungseinheit reduziert. Es basiert auf den technischen Eigenschaften der Gyopo-Eisenbahnbrücke, einer Doppelbogenkonstruktion sowie einer auf Verbundkurven basierenden mechanischen Spannungsverteilungstechnik.

„Einer der Trends bei Elektrofahrzeugen besteht darin, dass sie über Motoren verfügen, die sich mit höherer Geschwindigkeit drehen“, sagt Guoyu Chu, Ph.D., Elektrotechnik-Spezialist an der UNSW. „Jeder Hersteller von Elektrofahrzeugen versucht, Hochgeschwindigkeitsmotoren zu entwickeln. Der Grund dafür ist, dass die physikalischen Gesetze es dann ermöglichen, die Größe dieser Maschine zu verkleinern. Und eine kleinere Maschine wiegt weniger und verbraucht weniger Energie; Dadurch hat das Fahrzeug eine größere Reichweite.

„Mit diesem Forschungsprojekt haben wir versucht, die absolute Höchstgeschwindigkeit zu erreichen, mit einer Spitzenleistungsdichte, die bei rund 7 Kilowatt pro Kilogramm liegt“, erklärt Chu. „Bei einem EV-Motor würden wir die Geschwindigkeit eigentlich etwas reduzieren, aber das erhöht auch die Leistung.“

„Wir können skalieren und optimieren, um Leistung und Geschwindigkeit in einem bestimmten Bereich bereitzustellen“, behauptet Chu. „Zum Beispiel würde ein 200-Kilowatt-Motor mit einer maximalen Drehzahl von rund 18.000 U/min perfekt für EV-Anwendungen geeignet sein.“

Laut Chu bietet der neue Motor auch einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber der bestehenden Technologie und verwendet weniger Seltenerdmaterialien.

„Die meisten Hochgeschwindigkeitsmotoren verwenden eine Hülse, um die Rotoren zu verstärken, und diese Hülse besteht normalerweise aus teurem Material wie Titan oder Kohlefaser“, sagt Chu. „Die Hülse selbst ist sehr teuer und muss zudem präzise angepasst werden. Das erhöht die Herstellungskosten des Motors.“

„Unsere Rotoren verfügen über eine sehr gute mechanische Robustheit, sodass wir diese Hülse nicht benötigen, was die Herstellungskosten senkt“, betont Chu. „Und wir verwenden nur etwa 30 Prozent seltene Erden, was zu einer deutlichen Reduzierung der Materialkosten führt und unsere Hochleistungsmotoren dadurch umweltfreundlicher und erschwinglicher macht.“

Dieser magnetisch angetriebene Hochgeschwindigkeitsmotor reduziert den Einsatz von Seltenerdmaterialien wie Neodym erheblich. Foto mit freundlicher Genehmigung der University of New South Wales

Schwefel ist äußerst reichlich vorhanden, kostengünstig und kann mehr Energie speichern als herkömmliche ionenbasierte Batterien. Ein aktuelles Forschungs- und Entwicklungsprojekt am Argonne National Laboratory entdeckte einen neuen Weg zur Herstellung von Batterien auf Schwefelbasis. Die Ingenieure haben eine Schicht innerhalb der Batterie geschaffen, die die Energiespeicherkapazität erhöht und gleichzeitig ein herkömmliches Problem bei Schwefelbatterien, das Korrosion verursacht, nahezu beseitigt.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass eine redoxaktive Zwischenschicht einen großen Einfluss auf die Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) haben könnte“, sagt Wenqian Xu, Beamline-Wissenschaftler bei Argonne. „Wir sind dem Ziel, diese Technologie in unserem Alltag zu sehen, einen Schritt näher gekommen.“

Das vielversprechende Batteriedesign kombiniert eine schwefelhaltige positive Elektrode (Kathode) mit einer negativen Elektrode aus Lithiummetall (Anode). Zwischen diesen Komponenten befindet sich der Elektrolyt.

Frühe Li-S-Batterien zeigten keine gute Leistung, da sich Schwefelspezies (Polysulfide) im Elektrolyten lösten und zu dessen Korrosion führten. Dieser Polysulfid-Shuttle-Effekt wirkt sich negativ auf die Batterielebensdauer aus und verringert die Anzahl der Wiederaufladungen einer Batterie.

Um diesen Polysulfidtransport zu verhindern, wurde in früheren Versuchen versucht, eine redoxinaktive Zwischenschicht zwischen Kathode und Anode zu platzieren. Der Begriff „redoxinaktiv“ bedeutet, dass das Material keine Reaktionen wie in einer Elektrode eingeht.

Diese schützende Zwischenschicht ist jedoch schwer und dicht, was die Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit der Batterie verringert. Außerdem wird das Pendeln nicht ausreichend reduziert. Dies hat sich als großes Hindernis für die Kommerzialisierung von Li-S-Batterien erwiesen.

Um dieses Problem anzugehen, entwickelte und testete das ORNL-Team eine poröse schwefelhaltige Zwischenschicht. Tests im Labor zeigten, dass die anfängliche Kapazität in Li-S-Zellen mit dieser aktiven im Gegensatz zur inaktiven Zwischenschicht etwa dreimal höher war. Noch beeindruckender ist, dass die Zellen mit der aktiven Zwischenschicht über 700 Lade-Entlade-Zyklen hinweg ihre hohe Kapazität beibehielten.

„Frühere Experimente mit Zellen mit der redoxinaktiven Schicht unterdrückten nur das Pendeln, aber dabei opferten sie die Energie für ein gegebenes Zellgewicht, weil die Schicht zusätzliches Gewicht hinzufügte“, sagt Guiliang Xu, Ph.D., ein argonischer Chemiker . „Im Gegensatz dazu erhöht unsere redoxaktive Schicht die Energiespeicherkapazität und unterdrückt den Shuttle-Effekt.“

Zukünftige Forschungsanstrengungen werden das Wachstumspotenzial der redoxaktiven Zwischenschichttechnologie bewerten. „Wir wollen versuchen, es viel dünner und leichter zu machen“, sagt Xu.