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Eine Batterie mit Flüssigelektroden kann aufgeladen oder nachgefüllt werden
Eine neue Art von Batterie speichert Energie in dem, was Forscher wiederaufladbare Brennstoffe nennen – Elektroden in flüssiger Form. Das Ergebnis kann entweder wie eine herkömmliche Batterie aufgeladen oder durch das Einpumpen von neuem Kraftstoff wie Benzin ersetzt werden.
Batterietester : Die Chemikerin des Argonne National Laboratory, Elena Timofeeva, baut ein Experiment auf, um eine flüssige Elektrode zu testen (in der IV-Tasche zu sehen).
Die Materialien könnten einem Elektroauto theoretisch ermöglichen, 500 Meilen mit einer Ladung zurückzulegen, fünfmal weiter als die meisten Elektrofahrzeuge jetzt können, sagen die Forscher, die die Technologie entwickeln, die am Argonne National Laboratory und am Illinois Institute of Technology ansässig sind. Der Austausch an einer Tankstelle würde nur wenige Minuten dauern. Dagegen benötigen selbst die schnellsten Ladestationen für konventionelle Akkus eine Stunde, um eine volle Ladung zu liefern.
Begrenzte Reichweite und lange Ladezeiten sind zwei der größten Herausforderungen für Elektroautos. Flüssige Batterieelektroden könnten eine größere Reichweite ermöglichen, indem die Energiemenge erhöht wird, die Batteriepacks speichern können, und da weniger nicht energiespeichernde Komponenten benötigt würden, könnten sie auch billiger werden.
Batterien mit Flüssigelektroden könnten auch sicherer sein als herkömmliche, sagt Ping Liu, Programmmanager bei der Advanced Research Projects Agency for Energy, die die Arbeiten finanziert. Positiv- und Negativelektrodenmaterialien würden in getrennten Tanks gelagert und nicht in derselben Batteriezelle wie bei herkömmlichen Batterien. Dies könnte Kurzschlüsse und Überhitzung verhindern, die dazu führen können, dass Lithium-Ionen-Akkus Feuer fangen.
Wiederaufladbare Kraftstoffe befinden sich in einem frühen Stadium, aber ARPA-E hält sie für vielversprechend und kündigte die Finanzierung von vier Gruppen an, die die Technologie entwickeln. Neben dem Illinois-Projekt unterstützt es Projekte bei GE, dem National Renewable Energy Laboratory, und 24M, einem Spin-off des MIT.
Die Forscher aus Illinois haben bisher eine kleine Halbzellenbatterie demonstriert, die eine flüssige und eine feste Elektrode verwendet. Für ihr mit 3,4 Millionen US-Dollar von ARPA-E finanziertes Projekt, das letzten Monat begann, planen sie den Bau eines Prototyps, der Flüssigkeiten sowohl für die positiven als auch für die negativen Elektroden verwendet. Diese Batterie soll eine Kilowattstunde Energie speichern, genug für ein paar Kilometer Fahrt.
Bei herkömmlichen Batterien für Elektroautos bestehen bis zu 75 Prozent des Materials in einem Batteriepack aus Komponenten, die keine Energie speichern – Zellverpackungen, Sensoren, elektrische Verbindungen, Kühlsysteme und so weiter. Mit der Flüssigkeitsspeicherung kann, zumindest theoretisch, ein Großteil dieses Materials eliminiert werden, wodurch die Größe und die Kosten von Batteriepacks verringert werden.
Der Schlüssel liegt darin, die energiespeichernden Materialien von den Strukturen zu trennen, die zur Gewinnung dieser Energie und zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden. Bei einer herkömmlichen Batterie ist jede Schicht Elektrodenmaterial mit einer Folie und einer Kunststoffmembran verbunden, die Elektronen und Ionen fließen lassen und elektrischen Strom erzeugen. Wenn Sie mehr Energie speichern möchten, müssen Sie auch mehr Folien- und Kunststoffschichten hinzufügen.
In der neuen Batterie würden die Flüssigkeitselektroden in Tanks gespeichert und durch ein relativ kleines Gerät gepumpt, um zu interagieren und Strom zu erzeugen. Die Erhöhung der Energiespeicherung würde nur eine Frage der Vergrößerung der Speicher sein; das Gerät, in dem Strom erzeugt wird, könnte gleich groß bleiben. Je größer die Tanks, desto weniger Volumen würde die Energieerzeugungsvorrichtung einnehmen.
Flüssigkeitselektroden gibt es schon seit einiger Zeit – zum Beispiel als Teil von Geräten, die Flow-Batterien genannt werden – aber sie speichern Energie normalerweise in einer verdünnten Lösung, die zu viel Volumen benötigt, um in einem Auto verwendet zu werden. Einige Batterien haben geschmolzene Elektroden, die sich besser für stationäre Anwendungen eignen (siehe Ambris Better Battery ). Jedes der ARPA-E-Projekte zielt darauf ab, Wege zu finden, die Energiedichte der Flüssigkeiten um eine Größenordnung zu erhöhen. Das MIT-Spin-off 24M ist auf diesem Gebiet ein Pionier, das gezeigt hat, dass es möglich ist, konventionelle, energiedichte Elektrodenpulver in hoher Konzentration in einer Flüssigkeit zu suspendieren und daraus Energie zu gewinnen (siehe Eine Autobatterie zum halben Preis). Die größte Herausforderung besteht darin, eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit für eine praktische Batterie zu erreichen.
Einen ähnlichen Ansatz verfolgen die Illinois-Forscher. Sie betonen die Verwendung von nanoskaligen Pulvern, die in sehr hohen Konzentrationen suspendiert werden können und dank der besonderen Eigenschaften von Partikeln in so kleinem Maßstab dennoch leicht fließen. Sie haben auch eine neue Methode entwickelt, um den Partikeln elektrischen Strom zu entziehen, und hoffen, dass sie dadurch die Leitfähigkeit erhöhen können. Die Details sind geheim, bis die Patentanmeldung abgeschlossen ist.
Flüssigelektrodenbatterien haben einige potenzielle Nachteile. Nanopartikel können sich schnell abbauen, und die Forscher haben gerade erst damit begonnen, das gesamte System zu entwerfen. Sie müssen eine Möglichkeit entwickeln, die Materialien effizient zu pumpen und die Batterie kostengünstig herzustellen. Und das Aufladen von Autos durch Auffüllen der Tanks mit neuem Material würde die Installation einer neuen Infrastruktur erfordern, die teuer sein kann.
Unterdessen werden herkömmliche Batterien immer billiger, und dank verbesserter Technologie können sie schneller aufgeladen werden (siehe Wie Tesla die Innovation bei Elektroautos vorantreibt und den Batteriewechsel vergessen: Tesla zielt darauf ab, Elektroautos in fünf Minuten aufzuladen).