Elektrisierende Forschungen von Wissenschaftlern der Clemson University könnten zur Schaffung leichterer, schneller aufladender Batterien führen, die für die Stromversorgung eines Raumanzugs oder sogar eines Mars-Rovers geeignet sind.
Die Forschung, die von der NASA finanziert wurde, wurde kürzlich in einem Artikel mit dem Titel "Three-Dimensional Si Anodes with Fast Diffusion, High Capacity, High Rate Capability, and Long Cycle Life" berichtet, der in der Zeitschrift Applied Materials and Interfaces der American Chemical Society erschien. Zu den Autoren gehören Shailendra Chiluwal, Nawraj Sapkota, Apparao M. Rao und Ramakrishna Podila, die alle Teil des Clemson Nanomaterials Institute (CNI) sind.
Podila, ein Assistenzprofessor an der Abteilung für Physik und Astronomie des College of Science, sagte, dass die revolutionären neuen Batterien bald in US-Satelliten verwendet werden könnten.
"Die meisten Satelliten bekommen ihre Energie hauptsächlich von der Sonne", sagte Podila. "Aber die Satelliten müssen in der Lage sein, Energie zu speichern, wenn sie im Schatten der Erde sind. Wir müssen die Batterien so leicht wie möglich machen, denn je mehr der Satellit wiegt, desto mehr kostet seine Mission."
Podila sagte, dass, um die Durchbrüche der Gruppe zu verstehen, sie die Graphitanode in einem Lithium-Ionen-Akku als Kartendeck visualisieren könnten, wobei jede Karte eine Schicht Graphit darstellt, die verwendet wird, um die Ladung zu speichern, bis Strom benötigt wird. Das Problem, sagte Podila, ist, dass "Graphit nicht viel Ladung speichern kann."
Das Clemson-Team entschied sich für die Arbeit mit Silizium, das mehr Ladung einpacken kann, was bedeutet, dass mehr Energie in leichteren Zellen gespeichert werden kann. Während Wissenschaftler seit langem die hohe Kapazität von Silizium für die elektrische Speicherung schätzen, zerfällt dieses Material in kleinere Stücke, während es auflädt und entlädt.
Die Lösung, die das Team gefunden hat, ist die Verwendung von winzigen Silizium-"nanoskangroßen" Partikeln, die die Stabilität erhöhen und eine längere Lebensdauer ermöglichen. Anstelle eines Kartenstapels aus Graphit verwenden die neuen Batterien Schichten eines Kohlenstoff-Nanoröhrenmaterials namens Buckypaper, wobei die Silizium-Nanopartikel dazwischen eingeklemmt sind.
Mit dieser Art von Innenverpackungen, selbst wenn die Siliziumpartikel auseinanderbrechen, sind sie "noch im Sandwich", sagte Podila.
"Die freistehenden Platten von Kohlenstoff-Nanoröhren halten die Silizium-Nanopartikel elektrisch miteinander verbunden", sagt Shailendra Chiluwal, Studentin am CNI und Erstautorin der Studie.
"Diese Nanoröhren bilden eine quasi dreidimensionale Struktur, halten Silizium-Nanopartikel auch nach 500 Zyklen zusammen und mildern den elektrischen Widerstand, der durch das Brechen von Nanopartikeln entsteht."
Die Verwendung von Batterien aus Silizium und anderen Nanomaterialien erhöht nicht nur die Kapazität, sondern ermöglicht auch das Laden von Batterien bei einem höheren Strom, was zu schnelleren Ladezeiten führt. Wie jeder weiß, dessen Handy jemals mitten in einem Telefonat gestorben ist, ist dies ein wichtiges Feature für die Batterietechnologie.
Das schnellere Laden ist möglich, weil die neuen Batterien auch Nanoröhren als Puffermechanismus nutzen, der eine viermal schnellere Laderate ermöglicht, als dies derzeit möglich ist.
Leichtere Batterien, die schneller aufladen und eine deutlich höhere Effizienz bieten, werden nicht nur für Astronauten in batteriebetriebenen Anzügen ein Segen sein, sondern auch für die Wissenschaftler und Ingenieure, die die Astronauten an ihre Ziele bringen müssen.
"Silizium als Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie stellt den 'heiligen Gral' für Forscher auf diesem Gebiet dar", sagte Rao, CNI-Direktor und Hauptermittler des NASA-Zuschusses. Rao sagte auch, dass die neuen Batterien bald ihren Weg in Elektrofahrzeuge finden werden.
"Unser nächstes Ziel ist es, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um diese laborbasierte Technologie auf den Markt zu bringen", sagte Podila, korrespondierender Autor der Studie und Co-Forscher beim NASA-Stipendium. "Wir sind der NASA und south Carolina EPSCoR dankbar, dass sie eine Auszeichnung für deren Durchführung solcher Projekte vergeben haben, die nachhaltige Auswirkungen auf Weltraummissionen und die globale Energielandschaft haben werden."
