Sind leitfähige Elektroden der Schlüssel zu schnell aufladenden Batterien?

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Batterien mit Elektroden auf Basis von MXenes versprechen hohe Speicherkapazität und sehr schnelles Laden

Von Gary Elinoff, beitragender Autor

Das ärgerlichste Problem für Benutzer wiederaufladbarer Batterien ist, wie lange sie zum Laden benötigen. Es ist eine Unannehmlichkeit für Benutzer von mobilen Geräten und mehr als jeder andere Faktor, es ist der Grund für die langsame Akzeptanz von elektrisch angetriebenen Autos. Ein Team an der Drexel University unter der Leitung von Professor Yury Gogotsi hat ein neuartiges Batteriedesign entwickelt, das auf zweidimensionalen Übergangsmetallcarbiden (MXenes) basiert, deren "dritte Dimension" nur wenige Atome dick ist. Batterien mit Elektroden, die mit MXene gebaut wurden, bieten die Möglichkeit, eine volle Ladung in Sekunden statt in Stunden aufzunehmen. Das Papier mit der Arbeit wurde ursprünglich in der Zeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Die auf MXene basierende Elektrodenarchitektur bietet zwei sehr wichtige Unterschiede.

Zuerst, während eine Batterie aufgeladen wird, strömen elektrisch geladene Ionen hinein und suchen nach einem Ort, an dem sie nach Hause rufen können. MXene macht diese Reise schneller und einfacher dank seiner Eigenschaft der Makroporosität oder vieler Öffnungen, durch die ein elektrisch geladenes Ion schneller seinen Weg zu seinem "Port" auf der Elektrode finden kann. Dort wird es für den späteren Gebrauch gespeichert, wenn die Batterie Strom liefert und nicht empfängt.

Laut Maria Lukatskaya, Erstautorin des Nature Energy-Papiers: "Die ideale Elektrodenarchitektur wäre so etwas wie Ionen, die über mehrspurige High-Speed-Autobahnen in die Häfen fahren, anstatt einspurige Straßen zu nehmen. Unser makroporöses Elektroden-Design erreicht dieses Ziel, das ein schnelles Laden ermöglicht - in der Größenordnung von ein paar Sekunden oder weniger. "

Der zweite Unterschied besteht darin, dass mit MXene viel mehr dieser Ports oder Redox-Sites in einem bestimmten Bereich enthalten sein können. Das Ergebnis ist, dass eine Batterie, die auf MXene-Elektroden basiert, mehr Ladung für eine gegebene Größe und Gewicht speichern kann.

Wie auf Inverse.com beschrieben, verwenden die meisten modernen Batterien chemische Energiespeicher. MXene, in der unten dargestellten Form, kann als "mikroskopisch kleiner Schweizer Käse" mit vielen Speicherplätzen für Ionen beschrieben werden. Nach dem Inverse-Artikel verursacht die Anwendung von Hydrogel die Erzeugung von noch mehr dieser Redoxstellen, wodurch die Speicherkapazität der Batterie erhöht wird.

Die atomare Struktur von MXene. Quelle: Drexel University (bearbeitet).

MXene ermöglicht es, die Schnelllade- und Entladeeigenschaften von Superkondensatoren mit der überlegenen Speicherkapazität von Batterien zu kombinieren. Professor Gogotsi beschreibt es so: "Dieses Papier widerlegt das allgemein akzeptierte Dogma, dass die chemische Ladungsspeicherung, die in Batterien und Pseudokondensatoren verwendet wird, immer viel langsamer ist als die physikalische Speicherung in elektrischen Doppelschichtkondensatoren, die auch als Superkondensatoren bezeichnet werden."

Wie im Artikel inverse zitiert, "Elon Musk sagte es am besten: Bestehende Batterie-Technologie saugt." Es gab viele Fehlversuche in der Batterie-Technologie, und viele neue Ideen erweisen sich als nicht skalierbar, nie aus dem Labor. Batterietechnologie scheint der Engpass auf dem Weg zu sein, in so vielen Bereichen Fortschritte zu machen. Wir alle warten - und hoffen -, dass diese Innovation den Weg frei macht.