Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Sie sich keine Sorgen mehr machen müssen, irgendwo zu finden um den Akku Ihres Telefons aufzuladen ? Der utopische Traum von einer langlebigen und nachhaltigen Batterie könnte gleich um die Ecke sein.
Aber ist es realistisch? Obwohl wir noch nicht da sind, haben Forscher auf der ganzen Welt eine Menge Arbeit geleistet, um dies zu einer eindeutigen Möglichkeit zu machen.
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Forscher und andere Wissenschaftler haben vor langer Zeit erkannt, dass, wenn wir es ernst meinen, zu a zu wechseln nachhaltigere Zukunft Wir müssen das Problem der Energiespeicherung mit begrenzter Kapazität wirklich beheben. wie Batterien . Dies hat zu globalen Diskussionen zu diesem Thema geführt.
Es hat sogar eine Explosion in gegeben flinke Starts Sie widmen sich dem Job. Ihre Lösungen reichen von schrittweisen Verbesserungen des alten Batteriedesigns bis hin zu sofort einsatzbereiten Lösungen.
Bisher diese reichen von Mikrokondensatoren, miniaturisierten Festoxidbrennstoffzellen Graphenpolymer-, Aluminium-Graphit- und Gold-Nanodraht-Technologie und sogar Natrium . Es gibt Batterien, die mit Wasser, Haut, Schallwellen, Urin und Pflanzen und sogar mit Salz und Schaum aufgeladen werden können.
Trotz dieser Explosion von Ideen konnte noch keiner kommerziell rentabel sein. Zumindest noch nicht.
Eine Hürde könnte der Mangel an Mitteln sein, die dieser Forschungsbereich erhalten hat. Lux Research ein Technologieforschungsunternehmen hat das geschätzt von 4 Milliarden Dollar nur für Energieforschung ausgegeben 1% wurde in der letzten Zeit in die Energieforschung versenkt 10 Jahre .
Laut dem American Energy Innovation Council geben insbesondere die USA mehr für Kartoffelchip- und Tortillasorten aus als für nachhaltige Forschung und Entwicklung.
Warum wir uns von Lithium-Ionen entfernen müssen
Aber was ist mit Lithium-Ionen-Batterien los? Wir hören Sie weinen. Diese Technologie ist weit verbreitet und für die meisten relativ erschwinglich.
Dies widerlegt jedoch die tatsächlichen Kosten dieser winzigen Kraftspeicher. Ihre Produktion ist alles andere als nachhaltig .
Ihre Bestandteile stammen oft unethisch aus riesigen Minen und sind am Ende des Lebens sehr umweltschädlich.
Tatsächlich Li-On-Batterien sind keine Neuerung, trotz allem, was Sie vielleicht denken. Die Technologie kann dank der Arbeit eines amerikanischen physikalischen Chemikers ihren Ursprung bis etwa 1912 zurückverfolgen. Gilbert Newton .
Erst in den 1970er Jahren kamen nicht aufladbare Li-On-Batterien auf den Markt.
Während sie heute in einer Vielzahl von Größen und Formen erhältlich sind, ist ihre grundlegende Anatomie praktisch identisch. Li-on-Polymerbatterien unterscheiden sich beispielsweise nur durch die Verwendung von trockenem festem Polymer wirklich von ihren anderen Li-on-Brüdern und -SchwesternElektrolyt.
Frühe aufladbare Li-On-Batterien verwendeten Elektroden auf Lithiumbasis, dies wurde jedoch in den 1980er Jahren als nicht ideal befunden. Sie könnten tatsächlich sehr heiß werden und sogar eine potenzielle Brandgefahr darstellen.
Heutige Batterien ersetzen dagegen Lithiummetall und verwenden stattdessen Lithiumkobalt für die Kathode und Graphit für die Anode. Der Elektrolyt der Batterie besteht ebenfalls aus Lithiumsalz.
Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien hat weltweit zu einem großen Durst nach Lithium geführt. So sehr, dass sich der Preis zwischen 2016 und 2018 verdoppelt hat.
Eine der größten Lithiumquellen ist das sogenannte Lithium-Dreieck das abdeckt Argentinien, Bolivien und Chile Um es zu extrahieren, bohren Bergleute Löcher in Salzwiesen und pumpen salzige, mineralstoffreiche Salzlösung an die Oberfläche.
Dies wird dann einfach in der Sonne verdampfen gelassen und die lithiumreichen Salze werden verschrottet. Dieser Prozess verbraucht jedoch viel Wasser.
In der Tat so sehr, dass die lokalen Landwirte wirklich unter dem Mangel an einer angemessenen Menge Wasser für ihre Ernte leiden. Nicht nur das, sondern auch der Prozess der Lithiumgewinnung kann dazu führen, dass giftige Chemikalien, die in diesem Prozess verwendet werden, möglicherweise in sie eindringender lokale Wasserkreislauf.
Entsorgung ist auch problematisch für die Umwelt. Beim Finden Methoden zum Recycling effektiv oder andere Extraktionsmethoden finden Lithium aus Meerwasser könnte helfen, einen möglichen Versorgungsengpass zu beheben, es ist wirklich nur ein Pflaster auf einem gebrochenen Arm.
Wir müssen wirklich eine Alternative zu dieser ehrwürdigen und allgegenwärtigen Batterie finden.
Was sind mögliche Alternativen zu Li-on?
Bis heute gibt es einige interessante Forschungsbereiche, die das Potenzial bieten könnten, Li-on von seinem Thron zu booten. Das Wachstum der Elektronik im letzten Jahrhundert zeigt, dass die Notwendigkeit einer langlebigen und nachhaltigen Batterie immer dringlicher wird.
Andere Branchen treiben ebenfalls den Anstoß an, dies so schnell wie möglich zu regeln. Elektrofahrzeuge wird insbesondere die schwindenden natürlichen Ressourcen noch stärker unter Druck setzen und die bereits fragwürdigen Praktiken bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verschärfen.
In Anbetracht dessen könnten die folgenden 4 Forschungsbereiche den Weg für eine nachhaltigere und nachhaltigere Batterie der Zukunft ebnen. Es gibt viel mehr Projekte, aber einige davon sind vielversprechender.
1. Aluminiumbatterien wären besser für die Umwelt
Ein Potential von r Forscher an der Victoria University of Wellington , sucht nach einer neuen Art von Elektrolyt. Sie in Zusammenarbeit mit Die Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Clermont-Ferrand in Frankreich könnte der Schlüssel zu praktischen Aluminiumbatterien sein.
Laut Forschungsleiter Professor Thomas Nann: "Dieser Elektrolyt macht Aluminiumbatterien billiger und einfacher herzustellen. Er ist günstiger als die derzeit in Aluminiumbatterien verwendeten ionischen Flüssigkeiten und auch nachhaltiger, wie unser Elektrolyt sein kannaus Pflanzen hergestellt. "
Dies könnte Beine haben. Wenn erreichbar Batterien auf Aluminiumbasis wäre eine ausgezeichnete Alternative. Sie wären ungiftig, haben wenig bis gar kein Explosionsrisiko, sind leicht recycelbar und Aluminium ist eines der am häufigsten vorkommenden Metalle der Erde!
2. Das Hinzufügen von Molybdän und Schwefel zu der Mischung könnte die Antwort sein
Obwohl es Lithium technisch nicht vollständig ersetzt, ein Forschungsteam am Universität von Texas arbeiten daran, die Verwendung von Lithium in Batterien effektiver und umweltfreundlicher zu gestalten.
Laut dem Team wären Lithium-Schwefel-Batterien kostengünstiger herzustellen, sehr leicht und speichern mehr als doppelt so viel Energie wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Schwefel ist jedoch ein schlechter elektrischer Leiter, Schwefelelektroden neigen auch dazu, zu brechenwährend des Ladevorgangs nach unten - weniger als ideal.
Es gelang ihnen jedoch, eine Problemumgehung zu finden. Durch Zugabe von Molybdän zu Schwefel werden die Elektroden plötzlich leitfähig und vor allem stabil.
„Das war es, wonach alle lange gesucht haben“, Forschungsmitglied Dr. Kyeongjae Cho sagte: „Das ist der Durchbruch. Wir versuchen, Nebenreaktionen zu unterdrücken. Es ist eine Schutztechnologie.
„Wir bringen dies zum nächsten Schritt und werden das Material vollständig stabilisieren und auf die tatsächliche, praktische und kommerzielle Technologie bringen.“
3. Vielleicht sollten wir das Rad komplett neu erfinden?
Eine weitere Alternative von Forschern der ETH Zürich und der Empa in der Schweiz besteht darin, die im Elektrolyten und in den Elektroden verwendeten Materialien vollständig zu ändern.
Titannitrid könnte ein guter Ersatz für aktuelle Elektrolyte auf Lithiumbasis sein. Dies ist ein keramikähnliches Material, das zufällig eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Maksym Kovalenko an der ETH Zürich sagte: "Diese Verbindung besteht aus den sehr häufig vorkommenden Elementen Titan und Stickstoff und ist einfach herzustellen."
Es kann auch leicht zu dünnen Filmen geformt werden.
Graphit wird auch leicht als Kathode in nachhaltigen Batterielösungen wie Aluminiumbatterien verwendet. Das Team stellte fest, dass sie Graphit durch einen kettenartigen Kohlenwasserstoff namens ersetzen können. Polypyren .
Obwohl dies nach einer seltsamen Wahl klingt, hat es einige interessante Vorteile gegenüber Graphit. Eine der wichtigsten ist die Fähigkeit, seine Eigenschaften zu beeinflussen.
Die Kombination von Titannitrid und Polypyren könnte die Tür für etwas öffnen, das 'genannt wird. Beutelzellen 'Dies sind Batterien, die in einer flexiblen Folie eingeschlossen sind.
4. Sulfidelektroden können die Lebensdauer von Lithiumbatterien verlängern
Forscher an der Universität von Zentralflorida haben an einer nachhaltigen Batterie auf Sulfidbasis gearbeitet. In einem kürzlich im Materialjournal Advanced Energy veröffentlichten Bericht beschreiben sie, wie sie einen neuen Elektrodentyp entwickelt haben.
Diese Elektrode, so behaupten sie, weist eine ausgezeichnete Leitfähigkeit auf, ist bei hohen Temperaturen stabil und sollte relativ billig herzustellen sein. Nicht nur das, sondern ihre Verwendung könnte dazu führen, dass vorhandene Lithiumbatterien viel länger halten.
Sie schätzen, dass dies bedeuten könnte, dass Lithiumbatterien ihre Hochleistung über tausend Ladezyklen beibehalten können, ohne sich zu verschlechtern.
Ihre Lösung besteht darin, die Kathode durch eine Dünnschichtlegierung aus Nickelsulfid und Eisensulfid zu ersetzen. Diese Kombination bringt der Kathode viele interessante Vorteile gegenüber herkömmlichen dazwischen. 300 und 500 Mal .
Das Geheimnis ist die Kombination von Nickel- und Eisensulfiden zu einem dünnen Film. Dieser Film wird später geätzt, um ihn im Nanobereich porös zu machen.
Diese Nanoporen oder löchrigen Strukturen erweitern die für chemische Reaktionen verfügbare Oberfläche erheblich.
"Dies ist wirklich eine transformative Dünnschichttechnologie", sagte Yang.