Sicherere, langlebigere Batterien

Während die jüngsten massiven Rückrufe Sicherheitsbedenken von Lithium-Ionen-Batterien aufgezeigt haben, weisen die heutigen Batterietechnologien tatsächlich eine Reihe von Schwächen auf. Bei Beschädigung, Überladung oder Überhitzung können Batterien explodieren (siehe Sicherere Lithium-Ionen-Batterien ). Aber sie verlieren auch Energie und verlieren an Leistung und Langlebigkeit, wenn sie bei extremen Temperaturen eingesetzt werden, beispielsweise an einem Wintertag in Iowa oder einer Hitzewelle in Arizona.

Langlebige Dünnschichtbatterien könnten jahrzehntelang medizinische Implantate und Fernsensoren mit Strom versorgen und schließlich in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.

Bald wird ein neuer Akkutyp im Handel erhältlich sein, der diese Probleme überwindet. Aber mit Kosten.



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Diese neuen Batterien ersetzen den flüssigen oder gelförmigen Elektrolyten durch dünne Schichten fester glasartiger oder polymerer Materialien, die stabiler sind. Nichts kann auslaufen, nichts kann gefrieren, nichts kann kochen, platzen oder explodieren, sagt Tim Bradow, Vice President of Business Development bei Infinite Power Solutions of Golden, CO, einem führenden Entwickler von Dünnschichtbatterien.

In einer Batterie ermöglicht der Elektrolyt, dass sich positive Ionen von einer Elektrode zur anderen bewegen, während die Elektronen gezwungen werden, durch einen externen Stromkreis zu wandern, um Strom bereitzustellen. Bradows Unternehmen und eine Handvoll anderer verwenden einen festen glasartigen Elektrolyten, den sie als eine von einer Reihe von flachen Schichten abscheiden, aus denen die Batterie besteht.

Dieses feste Material ist nicht nur sicherer, sondern ermöglicht Entwicklern auch die Verwendung von Elektroden aus reinem Lithiummetall, das die Speicherkapazität deutlich erhöhen kann. Die Batterien können extreme Kälte und Hitze überstehen, was bedeutet, dass sie beispielsweise in Gummireifen eingebaut werden könnten, um Luftdrucksensoren zu betreiben, sagt John Bates, Chief Technical Officer bei Oak Ridge Micro-Energy in Tennessee.

Dünnschichtzellen können auch jahrzehntelang gelagert werden und behalten fast ihre gesamte Ladung, sagen die Entwickler – und liefern einen starken Energieschub, wenn sie endlich benötigt werden. Und in vielen Anwendungen sind sie jahrzehntelang aktiv einsetzbar, da sie zigtausendfach geladen und entladen werden können.

Diese Eigenschaften machen Dünnschichtbatterien ideal für einige neue Technologien. Fernsensoren, die winzige Energiemengen aus Vibrationen, Funkübertragungen oder Licht aufnehmen, benötigen Batterien, die diese Mikro-Energie speichern können, ohne sie im Laufe der Zeit zu verlieren. Und entfernte Sensoren benötigen die Hochleistungs-Bursts, die viele dieser Zellen liefern können, um Daten über Funksignale an eine Zentrale zu senden.

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Die Fähigkeit, eine Funkübertragung zu betreiben, ist auch für zukünftige medizinische Implantate wichtig, die Medikamente abgeben oder den Glukosespiegel messen. Und auch diese Anwendungen profitieren von der langen Lebensdauer der Batterien; Sie können über viele Jahre hinweg wieder aufgeladen und entladen werden, sodass ein operativer Austausch nicht erforderlich ist. Es ist die perfekte Art von Batterie, um jedes RF-Gerät mit Strom zu versorgen, da es pulsiert – sofort eingeschaltet und dann in den Schlafmodus wechselt, sagt Bradow. Das ist es, was unsere Batterie liebt und andere Batterien hassen. Sein Unternehmen will im kommenden Jahr mit der Massenproduktion seiner Batterien beginnen.

Nichtsdestotrotz sind Dünnfilmbatterien für die meisten Laptops möglicherweise nicht die Wahl der nächsten Generation. Denn die Verfahren zu ihrer Herstellung wie die physikalische Gasphasenabscheidung sind für die Herstellung großer Batterien noch zu teuer. Außerdem fassen diese Akkus, die nur ein Zehntel Millimeter dick sein können, jeweils nur Mikromengen an Energie – nur ein Tausendstel der Menge heutiger Laptop-Akkus. Obwohl sie gestapelt werden könnten, um eine ausreichende Speicherkapazität bereitzustellen, würden die Verpackungsschichten, die die aktiven Materialien in jeder Batterie trennen, ihre Kapazitätsvorteile zunichte machen. Das heißt, sie würden wahrscheinlich mehr kosten, aber nicht unbedingt kleiner sein.

Die ersten Anwendungen, etwa in industriellen Sensorpaketen in Hochtemperaturgeräten oder Ölquellen, werden solche sein, bei denen Käufer bereit sind, 100 US-Dollar pro Stück für Batterien zu zahlen, die ihren Anforderungen entsprechen. Bradow sagt, dass ihre Batterien in großen Mengen für viel weniger hergestellt werden könnten, was sie jedoch schließlich für verteilte Sensornetzwerke praktisch macht.

Trotz der derzeitigen Nachteile von Dünnschichtbatterien sagt Donald Sadoway, Professor für Materialchemie am MIT, dass einige Versionen davon in Zukunft Laptops – und Elektrofahrzeuge – antreiben werden. Ihr entscheidender Vorteil neben der Sicherheit ist seiner Meinung nach, dass sie die Verwendung von reinem Lithium in einer der Elektroden ermöglichen, was mit flüssigen Elektrolyten nicht möglich ist: Wer auf Lithium umsteigen kann, hat das Nonplusultra erreicht in Anodenkapazität, sagt er.

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Im Gegensatz zu dem glasartigen Elektrolyten, der von Infinite Power Solutions und anderen verwendet wird, hat Sadoway einen Festpolymerelektrolyten (heute Lithium-Ionen-Polymerbatterien verwenden ein Gel) für den Einsatz in Dünnschichtbatterien entwickelt. Dieser Elektrolyt, sagt er, könnte in Rollen wie Zeitungspapier oder in einem anderen Hochdurchsatzverfahren verarbeitet werden. Ein solches Verfahren für Dünnschichtbatterien, das derzeit noch nicht von der Industrie entwickelt wird, könnte die Kosten senken, sagt er, während innovative Möglichkeiten zum Verpacken von Elektroden die Größe reduzieren könnten. Wir haben im Labor Batterien hergestellt, die 300 Wattstunden pro Kilogramm leisten, sagt er. Das ist zweimal die beste Lithium-Ionen-Batterie, die heute auf dem Markt erhältlich ist.

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