Fluorid-basierte Batterien bieten bis zu 8× längere Lebensdauer als heutige Standards

• Stellen Sie sich vor: Laptop und Handy nur zweimal monatlich laden.
• Batterien basierend auf negativ geladenem Fluorid-Ion machen dies möglich.
• Erstmals haben Forscher wiederaufladbare Fluorid-Batterie entwickelt, die bei Raumtemperatur funktioniert.

Suche nach Batterien mit hoher Energiedichte für moderne Geräte nimmt stetig zu. Energiedichte hängt ab von: Elektronenzahl in Reaktion, Potenzialdifferenz Anode/Kathode, Zellvolumen, Faradayscher Konstante.

Unter Berücksichtigung aller Faktoren entwickelten Caltech-Forscher neue Herstellungsmethode für wiederaufladbare Fluorid-Batterien – basierend auf Fluorid, negativ geladenem Ion des Fluors.

Technologie könnte tägliches Laden von Laptop/Handy eliminieren. Tatsächlich könnte Anforderung auf zweimal monatlich sinken. Da Energiedichte in Fluorid-Batterien relativ höher als Li-Ion, könnte sie bis zu 8-mal länger dienen. Sie sind jedoch extrem reaktiv, korrosiv und schwer handhabbar.

Wiederaufladbare Fluorid-Batterien

Nicht erster Versuch mit Fluorid-Batterien. 1970er versuchten Wissenschaftler wiederaufladbare Fluorid-Batterien mit Feststoffmodulen. Da Feststoffbatterien Hochtemperaturen brauchen, ungeeignet für Alltag.

Nun fanden Forscher Weg, diese Batterien bei Raumtemperatur mit Flüssigmodulen zum Laufen zu bringen. Erstmals wiederaufladbare Fluorid-Batterie, die bei Raumtemperatur ordnungsgemäß funktioniert.

Batterie liefert Strom durch Ionen-Drift zwischen Kathode (positiv) und Anode (negativ). In Flüssiglösung (wie Li-Batterien) driften Ionen bei Raumtemperatur leichter.

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

Während Li-Batterien positive Ionen (Kationen) nutzen, trägt Fluorid-Batterie dieser Forschung negative Ladung (Anionen). Anionen in Batterien haben Vorteile, aber eigene Herausforderungen.

Geladene Atome wandern zwischen Anode und Kathode mit Hilfe flüssiger Elektrolytlösung | Credit: Brett Savoie/Purdue University

Für längere Batterielebensdauer muss man viele Ionen bewegen. Positive Ionen (Kationen) zu bewegen ist schwierig, aber ähnliches Ergebnis durch Bewegung negativer Ionen (Anionen) erreichbar, die sich leichter bewegen. Hauptaufgabe: System bei adäquater Spannung zum Laufen bringen.

Ergebnisse

In Studie zeigten Forscher: Multivalente Fluorid-Umsetzungsreaktionen haben hohe thermodynamische Reaktionspotenziale (>3 Volt) und volumetrische Kapazitäten (>1000 Ah/Liter). Daher theoretische Energiedichten bis 5000 Wh/Liter – mind. 8-mal theoretische Werte bestehender Li-Ion-Technologien.

Schlüsselkomponente für Fluorid-Batterien in Flüssigkeit (statt Feststoff): Elektrolytflüssigkeit Bis(2,2,2-trifluorethyl)ether (BTFE). Hält Fluorid-Ion stabil für einfache Elektronen-Hin-und-Her-Bewegung.

Fluorid-Ion (rosa) von BTFE-Molekülen umgeben | Credit: Brett Savoie / Purdue University

Warum funktionierte diese Lösung? Welche BTFE-Eigenschaft stabilisierte Fluorid? Forscher nutzten Computersimulationen. Veränderten BTFE-Lösung und fanden: Stabilität und Performance lassen sich durch Additive modifizieren.

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Ergebnisse zeigen: Forscher haben interessante Technik für langlebigere Batterien erschlossen. Nicht falsch zu sagen: Fluorid-Batterien feiern Comeback.