Neue Methode verfolgt Batterie-Innere präzise für zukünftige Energielösungen

Die Zukunft der Mobilität sind Elektroautos, Lastwagen und Flugzeuge. Aber es gibt keinen Weg, dass ein einzelnes Batteriedesign diese Zukunft antreiben kann. Selbst Handy- und Laptop-Batterien haben unterschiedliche Anforderungen und Designs. Die Batterien, die in den nächsten Jahrzehnten benötigt werden, müssen auf ihre spezifischen Anwendungen zugeschnitten sein. Und das bedeutet, genau zu verstehen, was so präzise wie möglich in jedem Batterietyp passiert.

Jede Batterie funktioniert nach dem gleichen Prinzip: Ionen – Atome oder Moleküle mit elektrischer Ladung – transportieren Strom von der Anode zur Kathode durch ein Material namens Elektrolyt und wieder zurück. Aber ihre präzise Bewegung durch dieses Material, ob flüssig oder fest, hat Wissenschaftler seit Jahrzehnten vor Rätsel gestellt. Genau zu wissen, wie sich verschiedene Ionenarten durch verschiedene Elektrolyte bewegen, wird Forschern helfen, diese Bewegung zu beeinflussen, um Batterien zu schaffen, die auf die für ihre spezifische Nutzung am besten geeignete Weise laden und entladen.

Ein Wissenschaftlerteam hat eine Kombination von Techniken demonstriert, die eine präzise Messung der Ionenbewegung durch eine Batterie ermöglicht. Die Kombination verschiedener experimenteller Methoden misst Geschwindigkeit und Konzentration und vergleicht beide mit der Theorie. Zu diesen Methoden gehört die Nutzung ultraheller Röntgenstrahlen, um die Geschwindigkeit der Ionen zu messen, die sich durch die Batterie bewegen, und gleichzeitig die Ionenkonzentration im Elektrolyt zu messen, während eine Modellbatterie entlädt. Das Forschungsteam verglich ihre Ergebnisse dann mit mathematischen Modellen. Ihr Ergebnis ist eine extrem genaue Zahl, die den von Ionen getragenen Strom repräsentiert – die sogenannte Transportzahl.

Die Transportzahl ist im Wesentlichen der Anteil des Stroms, der von positiv geladenen Ionen im Verhältnis zum gesamten elektrischen Strom getragen wird; die Berechnungen des Teams setzen diese Zahl auf etwa 0,2 an. Dieses Ergebnis unterscheidet sich von denen, die mit anderen Methoden erzielt wurden, aufgrund der Empfindlichkeit dieser neuen Art der Ionenbewegungsmessung.

Für dieses Experiment verwendete das Forschungsteam einen festen Polymerelektrolyten anstelle der flüssigen, die bei Lithium-Ionen-Batterien weit verbreitet sind. Die Polymere sind sicherer, da sie die Entzündbarkeitsprobleme einiger flüssiger Elektrolyte vermeiden.

In der Vergangenheit war der beste Weg, die inneren Abläufe von Batterien zu erforschen, einen Strom durch sie zu leiten und dann zu analysieren, was danach passiert. Die Fähigkeit, Ionen in Echtzeit zu verfolgen, bietet Wissenschaftlern die Chance, diese Bewegung an ihre Batteriedesignanforderungen anzupassen.

Der nächste Schritt ist die Analyse komplexerer Polymere und anderer Materialien wie Calcium und Zink und schließlich auch flüssiger Elektrolyte.