Lithium-Ionen-Akkus mit höherer Kapazität von 3M

Bis Ende nächsten Jahres werden Ingenieure bei 3M , mit Sitz in St. Paul, MN, erwartet für Batteriehersteller neue Materialien und Herstellungsverfahren, die Lithium-Ionen-Batterien um 30 Prozent mehr Kapazität verleihen. Diese neuen Methoden werden auch Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit der Verwendung solcher Batterien in Laptops berücksichtigen.

Die jüngsten Rückrufe der Lithium-Ionen-Laptop-Akkus von Sony aufgrund von Befürchtungen, dass die Akkus Feuer fangen könnten, umfassten die, die in einigen Dell- und Apple-Computern verwendet werden, und könnten sich auf bis zu 9,6 Millionen Laptop-Akkus erstrecken. Es ist daher keine Überraschung, dass, während Sony sagt, dass in Fabriken Änderungen vorgenommen wurden, die sich um das Problem kümmern sollten, viele Hersteller sich bemühen, sicherere Technologien zu finden. Alternativen zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien neigen jedoch dazu, Kompromisse wie erhöhte Kosten oder eine verringerte Energiespeicherkapazität einzugehen (siehe Sicherere Batterien mit höherer Kapazität und Wie zukünftige Batterien länger haltbar und sicherer sein werden).

Der Fortschritt von 3M umfasst neue Elektrolyte und Elektrodenmaterialien. Obwohl beide Materialien mehr kosten werden als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, sollte die zusätzliche Energiekapazität der Elektrodenmaterialien die Kosten kompensieren, indem sie die wichtigste Kennzahl für den Batteriepreis, die Kosten pro Wattstunde, senkt, sagt 3M-Forschungsspezialist Mark Obrovac.



Das Unternehmen befasst sich mit der Batteriesicherheit, indem es die Elektrolyte verbessert, die Flüssigkeit in Lithium-Ionen-Batterien, die Lithium-Ionen leitet, aber Elektronen blockiert und sie zwingt, durch einen externen Stromkreis zu wandern, um ein Gerät mit Strom zu versorgen. Unter bestimmten Bedingungen, z. B. wenn eine Batterie überladen, überhitzt ist oder einen internen Kurzschluss aufgrund von Beschädigungen oder Herstellungsproblemen hat, kann der Elektrolyt mit Materialien in den Batterieelektroden chemisch reagieren. In einigen Fällen könnte die Batterie explodieren und Elektrolyt in die umgebende Luft sprühen, wo sie sich wie ein Flammenwerfer entzünden kann, sagt Obrovac.

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Das Unternehmen hat Additive für bestehende Elektrolyte sowie neue Elektrolyte entwickelt, die nicht mit den Elektroden reagieren. Tatsächlich entzünden sich die sichereren Elektrolyte nicht, wenn sie einer offenen Flamme ausgesetzt werden. Als zusätzlichen Bonus, sagt Doug Magnuson, technischer Leiter für Batterieforschung bei 3M, funktionieren die neuen Chemikalien besser bei extrem kalten Temperaturen wie minus 40 Grad Celsius, bei denen andere Elektrolyte den Ionenfluss blockieren und die Batteriekapazität effektiv um 80 bis 90 Prozent reduzieren . Dieser Kapazitätsverlust ist nun ein wesentliches Hindernis für den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Hybridfahrzeugen, die diesen Bedingungen ausgesetzt sein könnten. Die neuen Elektrolyte würden es den Ionen ermöglichen, bei diesen Temperaturen freier zu fließen, was die Verluste möglicherweise auf etwa 40 Prozent der Kapazität begrenzen würde, schätzt Obrovac.

3M-Ingenieure sagen auch, dass neue Elektrodenmaterialien die Energiekapazität der Batterie um 30 Prozent verbessern werden. So ersetzt das Unternehmen beispielsweise die bisherigen Anodenmaterialien auf Graphitbasis durch eine siliziumbasierte Anode, die die Menge an Lithium-Ionen verdoppeln soll, die die Anode speichern kann. Die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien wird durch die Lithiummenge begrenzt, die in Elektroden gespeichert werden kann. Graphitanoden können sechs Kohlenstoffatome benötigen, um nur ein Lithium-Ion zu speichern. Elektroden, die Metalle und Halbmetalle wie Zinn oder Silizium enthalten, können durch die Bildung von Legierungen viel mehr Lithiumionen aufnehmen – zum Beispiel fast vier Ionen pro Siliziumatom.

Solche Elektroden waren jedoch unpraktisch, da das Material durch die Aufnahme von Lithiumionen auf das Dreifache seiner ursprünglichen Größe anschwellen kann. Solche dramatischen Größenänderungen richten verheerende Schäden an einer Zelle an und verkürzen ihre Nutzungsdauer.

Der Ansatz von 3M reduziert die Ausdehnung der Anode, indem amorphes Silizium anstelle von kristallinem Silizium verwendet und dieses mit inerten Materialien kombiniert wird, um das System zu stabilisieren. 3M-Ingenieure haben auch bessere Methoden entwickelt, um die Materialien auf die Folien abzuscheiden, die später zu einer zylindrischen Batterie aufgerollt werden. Jetzt optimieren sie diese Verfahren für die Großserienfertigung.

Die neuen Materialien reduzieren die Expansion und Kontraktion, wenn sich die Ionen in die Anode hinein und aus ihr herausbewegen, ohne sie jedoch zu eliminieren. Als Ergebnis entwickeln die Forscher neue Batteriedesigns, die die Größenänderungen aufnehmen können. Obrovac sagt, dass diese Designs zusammen mit den neuen Elektroden- und Elektrolytmaterialien für Batteriehersteller bereit sein sollten, um irgendwann im nächsten Jahr mit der Integration in ihre Produkte zu beginnen.

Ted Miller, Supervisor für fortschrittliche Batterietechnologie bei Ford-Motor , in Dearborn, MI, sagt, dass eine Abkehr von Graphit zu dieser Art von Anoden zusätzlich zu den Kapazitätssteigerungen unerlässlich ist, um mit extrem kalten Bedingungen fertig zu werden, denen sie in Fahrzeuganwendungen ausgesetzt sein könnten. Unter diesen Bedingungen kann das Aufladen einer Batterie dazu führen, dass sich Lithiummetall ansammelt, was manchmal innerhalb weniger Minuten viele Monate lang Schaden an der Batterie anrichtet. Die Abkehr von Graphit verhindert die Reaktionen, die zu Lithium-Metall-Ansammlungen führen, sagt Miller.

Bisher wird nur eine Anode auf Legierungsbasis kommerziell verwendet: eine Batterie von Sony namens Nexelium, die eine Anode auf Zinnbasis verwendet. Aber diese Technologie wird laut Materialwissenschaftlern des MIT häufiger auftauchen Yet-Ming Chiang . Es ist eine sehr logische Richtung, in die Batterieunternehmen gehen, sagt er.

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