5-Sekunden-Laden: Aluminium-Graphen-Batterie funktioniert von -40 °C bis 120 °C, 250.000 Zyklen

• Ingenieure entwickelten eine neue Batterie, die in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 120 °C arbeitet und in 5 Sekunden geladen werden kann.
• Sie behält nach 250.000 Lade-Entlade-Zyklen 91 % ihrer Kapazität.
• Die Batterie ist extrem flexibel und übersteht 10.000 Faltvorgänge.

Ingenieure der Zhejiang-Universität in China haben eine ultra-schnelle, allwettertaugliche, langlebige Aluminium-Graphen-Batterie entwickelt, die vor allem durch ihre Ladezeit überzeugt. Sobald die kommerzielle Produktion startet, könnte die Batterie in 5 Sekunden vollständig geladen werden und dann zwei Stunden halten.

Die Material- und Engineering-Forscher, die die Batterie entwickelten, behaupten, sie sei kälteresistenter, weniger entflammbar und arbeite im Temperaturbereich von -40 °C bis 120 °C. Einige Branchenexperten betrachten diese Behauptungen jedoch skeptisch.

Der Negativelektrode besteht aus Aluminium, die Positivelektrode aus Graphen. Sie kann nach einer Viertel Million Lade-Entlade-Zyklen 91 % ihrer Kapazität behalten – weit besser als heutige Lithium-Batterien. Sie ist für alle Klimazonen konzipiert und weist bemerkenswerte Flexibilität auf, da sie 10.000 Faltvorgänge übersteht.

In Smartphones integriert, könnte sie in 5 Sekunden geladen werden und zwei Stunden Laufzeit bieten. Zudem hält die Batterie bis zu 70 Jahre ohne Kapazitätsverlust, selbst bei 10 Ladevorgängen pro Tag.

Design und Leistung

Für das Kathodenmaterial der Aluminium-Ionen-Batterie wählten sie Graphit, Graphen, Schwefel und Metallsulfid. Graphitischer Kohlenstoff bietet Eigenschaften wie schnelles Laden und stabiles Cycling. Für eine solche kohlenstoffbasierte Kathode berücksichtigten die Ingenieure vier Anforderungen:

1. Hochkristallines Graphen-Gitter.
2. Kontinuierliche elektronleitende Matrix für großen Stromtransport und Minderung interner Polarisation.
3. Hohe mechanische Festigkeit und Youngscher Modul, um Materialkollaps zu verhindern.
4. Verbundene Kanäle, die hohe Elektrolyt-Permeabilität und Ionen-Diffusion ermöglichen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, fertigten sie einen idealen Graphen-Film durch Nassspinnen oder Gießbeschichten einer Graphenoxid-(GO)-Flüssigkristalllösung zu GO-Film, gefolgt von chemischer Reduktion zu reduziertem GO (rGO) und Hochtemperatur-Glühen.

Ein perfekt ausgerichtetes Graphen-Blatt führt zu höherer elektrischer Leitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften als Graphen-Schäume aus nicht ausgerichteten Blättern. Der rGO-Film wurde weiter bei 2.850 °C geglüht, um Atomfehler zu heilen und in einen langen, kontinuierlichen, silbrigen Graphen-Film umzuwandeln.

Die Batterieleistung hängt primär davon ab, wie schnell Elektronen und Ionen zwischen negativer und positiver Elektrode wandern. Das Elektrodenmaterial muss so viele Elektronen und Ionen wie möglich frei bewegen lassen. Ist der „Weg“ überfüllt, leidet die Leistung. Deshalb müssen Qualität, Orientierung und Porosität der Mikrostrukturen sowie leitende Netzwerke, Ionen-Transportkanäle und ionische Kanäle in der Makrostruktur optimiert werden.

Referenz: Sciencemag | DOI: 10.1126/sciadv.aao7233 | Zhejiang University

Dieses Designprinzip ermöglicht der Aluminium-Graphen-Batterie einen großen Schritt nach vorn und liefert erstaunliche Leistung. Zuvor lag die Kapazität von Aluminium-Batterien bei etwa 60 mAh/g, mit weniger als tausend Lade-Entlade-Zyklen.

Batterie beleuchtet ZJU-120 LED | Bildquelle: Zhejiang University

Nach Tests erreichte die Graphen-Positivelektrode eine Kapazität von 120 mAh/g und behielt nach 25 Millionen Zyklen noch 91 % der Kapazität. Gleichzeitig konnte sie in 1,1 Sekunden schnellladen und eine reversible Kapazität von 111 mAh/g beibehalten.

Einige Experten sind nicht von den Ergebnissen überzeugt

Laut Branchenexperte Zheng Jiatu, stellvertretender Geschäftsführer der China Electric Vehicle Charging Technology, sehen die vom Team veröffentlichten Ergebnisse nicht vielversprechend aus. „Die Zahlen sollten mit Vorsicht gelesen werden“, selbst das Testen einer Viertel-Million Zyklen würde extrem lange dauern. Diese Ergebnisse stammen wahrscheinlich aus simulierten Datenmodellen, nicht aus Prototypentests.

Zudem erfordere die Kommerzialisierung mehrere unklare Faktoren: Kosten-Leistung, spezifische Energiedichte, Sicherheit, Zuverlässigkeit und ein ausgereiftes Geschäftsmodell. Es gibt viele andere bewährte Technologien, die noch nicht kommerzialisiert wurden.

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Das Forschungsteam betont jedoch, dass noch ein weiter Weg mit zahlreichen Hindernissen vor ihnen liegt. Sie glauben, die „Super“-Batterie sei besser als Lithium-Ionen-Batterien, aber es gebe noch viel zu verbessern. Zudem sei der konventionelle ionische Flüssigelektrolyt teuer; günstigere Elektrolyte würden die Geschäftschancen für Aluminium-Ionen-Batterien erweitern.