Fluoridbasierte Batterien können 8-mal länger halten als die heute verwendeten

• Stellen Sie sich vor, Sie laden Ihren Laptop und Ihr Telefon nur zweimal im Monat auf.
• Batterien, die auf negativ geladenen Fluorionen basieren, können dies ermöglichen.
• Zum ersten Mal haben Forscher eine wiederaufladbare Batterie auf Fluoridbasis entwickelt, die bei Raumtemperatur richtig funktioniert.

Die Suche nach Batterien, die eine hohe Energiedichte bieten, die erforderlich ist, um die Anforderungen moderner Geräte zu erfüllen, nimmt ständig zu. Die Energiedichte hängt von der Anzahl der bei einer Reaktion übertragenen Elektronen, der Potenzialdifferenz zwischen Anode und Kathode, dem Zellvolumen und der Faradayschen Konstanten ab.

Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren haben Forscher des California Institute of Technology eine neue Methode zur Herstellung wiederaufladbarer Batterien auf der Basis von Fluorid entwickelt – einem negativ geladenen Fluor-Ion.

Die Technologie hat das Potenzial, das tägliche Aufladen Ihres Laptops oder Telefons überflüssig zu machen. Tatsächlich könnte es diese Anforderung auf nur noch zweimal im Monat reduzieren. Da die Energiedichte in Fluorid-Batterien relativ höher ist als bei Lithium-Ionen-Batterien, könnte sie bis zu 8-mal länger halten. Sie sind jedoch extrem reaktiv, korrosiv und schwierig zu verarbeiten.

Forschungsfähige Fluoridbatterien

Dies ist nicht das erste Mal, dass jemand mit Fluoridbatterien experimentiert. In den 1970er Jahren versuchten Wissenschaftler, wiederaufladbare fluoridbasierte Batterien mit Festmodulen zu entwickeln. Da Festkörperbatterien jedoch hohe Temperaturen erfordern, um richtig zu funktionieren, können sie nicht für den täglichen Gebrauch verwendet werden.

Jetzt haben Forscher einen Weg gefunden, diese Batterien mit Flüssigmodulen bei Raumtemperatur zum Laufen zu bringen. Sie konnten die erste wiederaufladbare Batterie auf Fluoridbasis herstellen, die bei Raumtemperatur richtig funktioniert.

Die Batterie liefert elektrische Ströme, indem Ionen zwischen der Kathode (positiv) und der Anode (negative) Elektrode wandern. In einer flüssigen Lösung (verwendet in Lithiumbatterien) driften Ionen bei Raumtemperatur leichter.

Referenz:ScienceMag | doi:10.1126/science.aat7070 | Caltech

Während Lithiumbatterien positive Ionen (Kationen) verwenden, trägt die darin entwickelte Fluoridbatterie eine negative Ladung (Anionen). Die Verwendung von Anionen in Batterien hat mehrere Vorteile, aber sie haben ihre eigenen Herausforderungen.

Lade Atome, die sich zwischen Anode und Kathode bewegen, mit Hilfe einer flüssigen Elektrolytlösung auf | Credit: Brett Savoie/Purdue University

Damit Batterien länger halten, muss man eine große Anzahl von Ionen bewegen. Das Bewegen positiv geladener Ionen (Kationen) ist ziemlich schwierig, aber ein ähnliches Ergebnis kann durch Bewegen negativer Ionen (Anionen) erzielt werden, die sich relativ leicht bewegen. Die größte Herausforderung bei diesem Mechanismus besteht darin, das System mit ausreichender Spannung arbeiten zu lassen.

Ergebnisse

In dieser Studie zeigten die Forscher, dass multivalente Fluoridumwandlungsreaktionen hohe thermodynamische Reaktionspotentiale (mehr als 3 Volt) und volumetrische Kapazitäten (mehr als 1000 Ah/Liter) aufweisen. Daher bieten Fluoridbatterien theoretische Energiedichten von bis zu 5000 Wh/Liter, mindestens das 8-fache der theoretischen Werte für bestehende Lithium-Ionen-Technologien.

Die Schlüsselkomponente, die dafür sorgt, dass Fluoridbatterien in einer Flüssigkeit (anstatt in einem Feststoff) ordnungsgemäß funktionieren, ist eine Elektrolytflüssigkeit namens Bis(2,2,2-trifluorethyl)ether (kurz BTFE). Es hält das Fluorid-Ion stabil, sodass es Elektronen leicht in der Batterie hin und her bewegen kann.

Fluoridion (pink) umgeben von BTFE-Molekülen | Kredit:  Brett Savoie / Purdue University

Aber warum diese Lösung funktionierte; Welche Eigenschaft von BTFE stabilisierte das Fluorid? Um die Antwort zu finden, nutzten die Forscher Computersimulationen. Sie veränderten die BTFE-Lösung und fanden heraus, dass man ihre Stabilität und Leistung verbessern kann, indem man sie mit Additiven modifiziert.

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Die Ergebnisse zeigen, dass die Forscher eine interessante Technik zur Entwicklung von Batterien mit längerer Lebensdauer erschlossen haben. Es ist nicht falsch zu sagen, dass Fluoridbatterien ein Comeback erleben.