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Effiziente Batterien

13.02.2013

Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory und der Stanford University haben einen Weltrekord für die Energiespeichereffizienz aufgestellt. Dies wurde durch ein spezielles Elektrodendesign erreicht, das einem Eigelb ähnelt.

Die neue Kathode auf Schwefelbasis kann fünfmal mehr Energie speichern als die besten derzeit erhältlichen kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien. Darüber hinaus behalten moderne Lithium-Ionen-Akkus nach 5 Lade-/Entladezyklen typischerweise etwa 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität. Die neue Technologie wiederum hält die hohe Batterieeffizienz auch nach 500 Lade-/Entladezyklen aufrecht. Dadurch wurde es möglich, eine neue Generation von Batterien zu entwickeln: geräumig, leicht und langlebiger. Sie können in tragbarer Elektronik und Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Wissenschaftler wissen, dass Schwefel theoretisch viel mehr Lithium-Ionen und damit viel mehr Energie speichern kann als Stromelektroden. Es gibt jedoch zwei Probleme bei der Verwendung von Schwefel in Batterien. Wenn also Lithiumionen beim Entladen von der Elektrode absorbiert werden, verbinden sie sich mit Schwefelatomen und bilden Zwischenverbindungen, die die Kapazität der Batterie begrenzen. Gleichzeitig bewirkt der Ioneneinstrom eine Volumenvergrößerung der Kathode um ca. 80 %. Dadurch werden alle Schutzbeschichtungen auf der Elektrodenoberfläche beschädigt und die Lebensdauer der Batterie verkürzt.

Die neue Technologie beinhaltet die Herstellung einer Kathode aus Nanopartikeln mit einem Durchmesser von 800 Nanometern. Sie sind ein winziges Schwefelpartikel, das von einer harten Schale aus porösem Titandioxid umgeben ist, wie ein Eigelb in einer Eierschale. Zwischen dem „Eigelb“ und der „Schale“ befindet sich ein leerer Raum, in dem sich der Schwefel ungehindert ausdehnen kann. Während der Entladung passieren Lithium-Ionen die Schale und binden sich an Schwefel, der sich ausdehnt und den Hohlraum zwischen dem „Eigelb“ und der „Schale“ füllt, ohne die harte Schale zu brechen. In diesem Fall schützt die Hülle den Schwefel vor der Bildung von Zwischenverbindungen.

Während der Experimente behielt die neue Batterie nach 70 Lade-/Entladezyklen eine Kapazität von 1000 %, was selbst ohne Optimierung der der fortschrittlichsten kommerziellen Batterien entspricht und diese sogar übertrifft. Derzeit planen Wissenschaftler Experimente mit dem Hinzufügen anderer Materialien, insbesondere Silizium, in die "Hülle".

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Neueste Nachrichten aus Wissenschaft und Technik, neue Elektronik:

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Mini-Klimaanlage Sony Reon Pocket 5 09.05.2024

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Energie aus dem Weltraum für Raumschiff 08.05.2024

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Neue Methode zur Herstellung leistungsstarker Batterien 08.05.2024

Mit der Entwicklung der Technologie und dem zunehmenden Einsatz von Elektronik wird die Frage der Schaffung effizienter und sicherer Energiequellen immer dringlicher. Forscher der University of Queensland haben einen neuen Ansatz zur Herstellung von Hochleistungsbatterien auf Zinkbasis vorgestellt, der die Landschaft der Energiebranche verändern könnte. Eines der Hauptprobleme herkömmlicher wiederaufladbarer Batterien auf Wasserbasis war ihre niedrige Spannung, die ihren Einsatz in modernen Geräten einschränkte. Doch dank einer neuen, von Wissenschaftlern entwickelten Methode konnte dieser Nachteil erfolgreich überwunden werden. Im Rahmen ihrer Forschung wandten sich Wissenschaftler einer speziellen organischen Verbindung zu – Catechol. Es erwies sich als wichtige Komponente, die die Stabilität der Batterie verbessern und ihre Effizienz steigern kann. Dieser Ansatz hat zu einer deutlichen Spannungserhöhung der Zink-Ionen-Batterien geführt und sie damit wettbewerbsfähiger gemacht. Laut Wissenschaftlern haben solche Batterien mehrere Vorteile. Sie haben b ... >>

Alkoholgehalt von warmem Bier 07.05.2024

Bier, eines der häufigsten alkoholischen Getränke, hat einen ganz eigenen Geschmack, der sich je nach Temperatur des Konsums verändern kann. Eine neue Studie eines internationalen Wissenschaftlerteams hat herausgefunden, dass die Biertemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks hat. Die vom Materialwissenschaftler Lei Jiang geleitete Studie ergab, dass Ethanol- und Wassermoleküle bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Arten von Clustern bilden, was sich auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks auswirkt. Bei niedrigen Temperaturen bilden sich eher pyramidenartige Cluster, wodurch die Schärfe des „Ethanol“-Geschmacks abnimmt und das Getränk weniger alkoholisch schmeckt. Im Gegenteil, mit steigender Temperatur werden die Cluster kettenförmiger, was zu einem ausgeprägteren alkoholischen Geschmack führt. Dies erklärt, warum sich der Geschmack einiger alkoholischer Getränke, wie z. B. Baijiu, je nach Temperatur ändern kann. Die Erkenntnisse eröffnen Getränkeherstellern neue Perspektiven, ... >>

Zufällige Neuigkeiten aus dem Archiv

Uranus aus dem Ozean 19.05.2013

Wissenschaftler haben ein spezielles organometallisches Netz geschaffen, das Uran im Meerwasser viermal effizienter sammelt als bestehende Analoga.

Forscher um den Chemieprofessor Wenbin Lin von der University of North Carolina haben ein metallorganisches Netzwerk entwickelt, das im Meerwasser gelöste Uranionen sammeln kann. Als fortschrittlichste Technologie zum „Fischen“ von Uran aus dem Meerwasser galten bisher synthetische Fasern, auf deren Oberfläche spezielle Chemikalien aufgetragen werden, die Uran binden.

Im Gegensatz dazu arbeitet das neue Gewebe in Labortests mindestens 4-mal effizienter und extrahiert problemlos Rohstoffe für Kernbrennstoffe aus dem Wasser. In Zukunft könnte diese Technologie eine alternative Quelle für teure Brennstoffe für Reaktoren darstellen und zur Behandlung von mit radioaktiven Substanzen kontaminiertem Wasser verwendet werden.

Metallorganische Strukturen gelten als vielversprechend für eine Reihe von technologischen Anwendungen, darunter die Speicherung von Gasen und die Trennung von Stoffgemischen. Die Struktur organometallischer Materialien kann angepasst werden, um einer Vielzahl von Zwecken zu dienen, zum Beispiel wird die poröse Struktur in vielen kommerziellen Adsorptionsmitteln verwendet. Darüber hinaus können organometallische Strukturen wie organische Polymere "trainiert" werden, um an verschiedene spezifische Moleküle zu binden.

Etwa 4 Milliarden Tonnen Uran sind in den Weltmeeren gelöst – das sind etwa 600 Tonnen mehr als alle Uranreserven an Land. Die Gewinnung von Uran aus Meerwasser ist jedoch aufgrund seiner geringen Konzentration äußerst schwierig: 3 Teile pro Milliarde. Moderne Bergbautechnologien würden den Einsatz einer sehr großen Menge an Plastikadsorptionsmittel erfordern, was zu einer großflächigen Verschmutzung der Ozeane mit Plastik führen würde. Dieser Kunststoff muss mehrere Wochen im Meerwasser liegen, und in dieser Zeit gelangen neben Uran auch viele andere „nutzlose“ Ionen in das Adsorbens. All dies macht die Gewinnung von Uran aus Wasser zu einem sehr mühsamen und teuren Unterfangen. In Zahlen sieht es so aus: Ein Kilogramm Uran, das mit modernen Methoden aus dem Ozean gefördert wird, kostet zwischen 1000 und 2000 Dollar pro Kilogramm, etwa das 10- bis 20-fache des aktuellen Marktpreises.

Das neue Material könnte einen Unterschied machen, da es viel effizienter ist. So konnte im Labor 1 Gramm eines metallorganischen Adsorptionsmittels mehr als 200 Milligramm Uran aufnehmen, was ein guter Indikator ist. Die Entwickler stellen fest, dass die neue Technologie die Kosten für die Gewinnung von Uran aus Meerwasser erheblich senken kann - selbst wenn „Meer“-Uran doppelt so teuer ist wie „Land“-Uran, wird es aus verschiedenen wirtschaftlichen und politischen Gründen bereits wettbewerbsfähig sein.

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