Methode verfolgt, was in Batterien passiert

Die Zukunft der Mobilität sind Elektroautos, -lastwagen und -flugzeuge. Aber es gibt keine Möglichkeit, dass ein einzelnes Batteriedesign diese Zukunft antreiben kann. Auch Handy- und Laptop-Akkus haben unterschiedliche Anforderungen und unterschiedliche Bauformen. Die Batterien, die in den nächsten Jahrzehnten benötigt werden, müssen auf ihre spezifischen Einsatzzwecke zugeschnitten sein. Und das bedeutet, genau zu verstehen, was in jedem Batterietyp so genau wie möglich passiert.

Jede Batterie funktioniert nach dem gleichen Prinzip:Ionen, das sind Atome oder Moleküle mit einer elektrischen Ladung, transportieren einen Strom von der Anode zur Kathode durch ein Material, das als Elektrolyt bezeichnet wird, und dann wieder zurück. Aber ihre präzise Bewegung durch dieses Material, ob flüssig oder fest, hat Wissenschaftler jahrzehntelang verwirrt. Wenn Sie genau wissen, wie sich verschiedene Arten von Ionen durch verschiedene Arten von Elektrolyten bewegen, können Forscher herausfinden, wie sie diese Bewegung beeinflussen können, um Batterien zu schaffen, die sich auf eine Weise laden und entladen, die ihren spezifischen Verwendungszwecken am besten entspricht.

Ein Team von Wissenschaftlern hat eine Kombination von Techniken demonstriert, die eine präzise Messung von Ionen ermöglicht, die sich durch eine Batterie bewegen. Die Kombination verschiedener experimenteller Methoden misst Geschwindigkeit und Konzentration und vergleicht beides dann mit der Theorie. Diese Verfahren umfassen die Verwendung ultraheller Röntgenstrahlen, um die Geschwindigkeit der Ionen zu messen, die sich durch die Batterie bewegen, und um gleichzeitig die Konzentration von Ionen innerhalb des Elektrolyten zu messen, während eine Modellbatterie entladen wird. Anschließend verglich das Forschungsteam seine Ergebnisse mit mathematischen Modellen. Ihr Ergebnis ist eine äußerst genaue Zahl, die den von Ionen getragenen Strom darstellt – die sogenannte Transportzahl.

Die Transportzahl ist im Wesentlichen die Strommenge, die von positiv geladenen Ionen im Verhältnis zum gesamten elektrischen Strom getragen wird; Die Berechnungen des Teams beziffern diese Zahl auf ungefähr 0,2. Diese Schlussfolgerung unterscheidet sich aufgrund der Empfindlichkeit dieser neuen Art der Messung der Ionenbewegung von denen anderer Methoden.

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

Früher konnte man das Innenleben von Batterien am besten erforschen, indem man einen Strom durch sie schickte und dann analysierte, was danach passierte. Die Möglichkeit, die Bewegung der Ionen in Echtzeit zu verfolgen, bietet Wissenschaftlern die Möglichkeit, diese Bewegung an ihre Anforderungen an das Batteriedesign anzupassen.

Der nächste Schritt besteht darin, komplexere Polymere und andere Materialien wie Kalzium und Zink zu analysieren und schließlich in flüssige Elektrolyte umzuwandeln.