5-Sekunden-Aufladung der Aluminium-Graphen-Batterie, funktioniert bei –40 °C bis 120 °C, 250.000 Zyklen

• Ingenieure haben einen neuen Akku entwickelt, der in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 120 °C funktioniert und innerhalb von 5 Sekunden aufgeladen werden kann. 
• Es kann nach 250.000 Lade-Entlade-Zyklen 91 % seiner Kapazität behalten. 
• Der Akku ist äußerst flexibel und übersteht 10.000 Faltvorgänge. 

Ingenieure der Zhejiang-Universität in China haben eine ultraschnelle, wetterfeste Aluminium-Graphen-Batterie mit langer Lebensdauer entwickelt, die sich durch eine überlegene Leistung auszeichnet, insbesondere im Hinblick auf die Ladezeit. Sobald die kommerzielle Produktion beginnt, könnte der Akku in 5 Sekunden vollständig aufgeladen sein und dann zwei Stunden lang halten.

Material- und Ingenieurforscher, die die Batterie entwickelt haben, behaupten, dass sie kältebeständiger und weniger entflammbar ist und in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 120 °C betrieben werden kann. Allerdings haben nur wenige Branchenexperten diesen Behauptungen Zweifel entgegengebracht.

Der Minuspol der Batterie besteht aus Aluminium und der Pluspol aus Graphen. Sie ist in der Lage, nach einer Viertelmillion Lade-Entlade-Zyklen 91 % ihrer Kapazität beizubehalten – viel besser als die heutige Lithiumbatterie. Es ist für Allklima-Energiegeräte konzipiert und verfügt über eine bemerkenswerte Flexibilität, die 10.000 Faltvorgänge übersteht.

Bei Integration in Smartphones könnte es in 5 Sekunden aufgeladen und bis zu zwei Stunden lang verwendet werden. Außerdem hält der Akku bis zu 70 Jahre, ohne seine Kapazität zu verlieren, selbst wenn das Telefon zehnmal täglich aufgeladen wird.

Design und Leistung

Als Kathodenmaterial für Aluminium-Ionen-Batterien wählten sie Graphit, Graphen, Schwefel und Metallsulfid. Graphitkohlenstoff bietet Funktionen wie schnelles Laden und stabiles Radfahren. Für eine solche kohlenstoffbasierte Kathode haben sich die Ingenieure um vier Anforderungen gekümmert –

1. Hochkristallisiertes Graphengitter.
2. Kontinuierliche elektronenleitende Matrix für den Transport großer Ströme und die Abschwächung der internen Polarisation.
3. Hohe mechanische Festigkeit und Elastizitätsmodul, um ein Zusammenfallen des Materials zu verhindern.
4. Miteinander verbundene Kanäle, die eine hohe Elektrolytdurchlässigkeit und Ionendiffusion ermöglichen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben sie einen idealen Graphenfilm hergestellt, der entweder durch Nassspinnen oder Gussbeschichten einer Graphenoxid (GO)-Flüssigkristalllösung zu einem GO-Film hergestellt wurde, gefolgt von einer chemischen Reduktion zur Bildung eines reduzierten GO (rGO)-Films und Hochtemperaturglühen.

Eine perfekt ausgerichtete Graphenschicht führt zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften als Graphenschäume, die aus nicht ausgerichteten Graphenschichten bestehen. Der rGO-Film wurde weiter bei 2850 Grad Celsius getempert, um atomare Defekte wiederherzustellen, und verwandelte sich in einen langen, kontinuierlichen, silbrigen Graphenfilm.

Die Leistung einer Batterie hängt in erster Linie davon ab, wie schnell sich Elektronen und Ionen zwischen negativen und positiven Elektroden bewegen. Das Elektrodenmaterial muss möglichst vielen Elektronen und Ionen den freien Lauf ermöglichen. Wenn die Straße überfüllt ist, wird die Leistung beeinträchtigt. Aus diesem Grund muss auf Qualität, Ausrichtung und Porosität der Mikrostrukturen geachtet werden. Und leitfähige Netzwerke, Ionentransportkanäle und Ionenkanäle in einer Makrostruktur.

Referenz:Sciencemag | DOI:10.1126/sciadv.aao7233 | Zhejiang-Universität

Dieses Konstruktionsprinzip ermöglicht es der Aluminium-Graphen-Batterie, einen großen Schritt nach vorne zu machen und eine erstaunliche Leistung zu liefern. Zuvor lag die Kapazität der Aluminiumbatterie bei etwa 60 mAh/g, wobei der Lade-Entlade-Zyklus weniger als tausend Mal erfolgte.

Batterie beleuchtete die ZJU-120 LED | Bildnachweis:Zhejiang-Universität

Nach dem Test betrug die Kapazität der positiven Graphenelektrode 120 mAh/g, nach 25 Millionen Lade-Entlade-Zyklen blieb die Kapazität immer noch bei 91 Prozent. Gleichzeitig konnte die Schnellladung innerhalb von 1,1 Sekunden durchgeführt werden, wodurch eine reversible Kapazität von 111 mAh/g erhalten blieb.

Einige Experten sind von den Ergebnissen nicht fasziniert

Laut einem Branchenexperten, Zheng Jiatu, stellvertretender Geschäftsführer der China Electric Vehicle Charging Technology, sehen die vom Team veröffentlichten Ergebnisse nicht vielversprechend aus. „Die Zahlen sind mit Vorsicht zu lesen“, denn selbst das Testen eines Viertelmillion Lade-Entlade-Zyklus würde sehr lange dauern. Bei diesen Ergebnissen handelt es sich eher um Experimente, die mit einem simulierten Datenmodell durchgeführt wurden, als um Prototypentests.

Darüber hinaus würde eine Kommerzialisierung mehrere Dinge erfordern, die nicht klar sind. Zu den Schlüsselfaktoren gehören das Preis-Leistungs-Verhältnis, die Energieintensität des jeweiligen Batterietyps, Sicherheit, Zuverlässigkeit und ein ausgereiftes Geschäftsmodell. Es gibt viele andere bewährte und einsatzbereite Technologien, die noch nicht kommerzialisiert wurden.

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Das Forschungsteam sagte jedoch, dass noch ein langer Weg vor ihnen und zahlreiche Hindernisse zu überwinden seien. Sie glauben, dass „Super“-Batterien viel besser sind als Lithium-Ionen-Batterien, aber dennoch gibt es viele Dinge, die verbessert werden müssen. Darüber hinaus ist der herkömmliche ionische Flüssigelektrolyt recht teuer. Wenn es günstigere Elektrolyte gibt, wären die Geschäftsmöglichkeiten für Aluminiumionenbatterien breiter.