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Der Akku heilt sich selbst

22.11.2013

Wissenschaftler der Stanford University haben die erste Elektrode entwickelt, die die Eigenschaft der Selbstheilung besitzt. Dadurch kann die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge, Smartphones und andere Geräte deutlich verlängert werden. Das Geheimnis liegt in der Beschichtung der Elektrode mit einem elastischen Polymer, das im Batteriebetrieb auftretende Mikrorisse im Elektrodenmaterial strafft.

„Selbstheilung spielt eine entscheidende Rolle für das Überleben und die Langlebigkeit von Tieren und Pflanzen", kommentierte Chao Wang, Forscher an der Stanford University und Co-Leiter des Projekts. „Deshalb haben wir uns entschieden, Lithium-Ionen-Batterien diese Eigenschaft zu verleihen kann länger dauern. ".

Auf die Idee, die Elektrode mit einem elastischen Polymer zu bedecken, kam Wang, nachdem er ein Team in einem Labor getroffen hatte, das elektronische Haut für Roboter entwickelt. Er nahm das dafür verwendete Material als Basis und fügte dem Polymer Nanopartikel aus Graphit hinzu, damit das Material elektrischen Strom leitet.

„Wir haben festgestellt, dass sich die Lebensdauer der Siliziumelektroden um das Zehnfache verlängerte, nachdem wir sie mit dem von uns entwickelten Polymer beschichtet hatten“, sagte Wang und erklärte, dass das Polymer innerhalb weniger Stunden alle Mikrorisse in der Dicke der Elektrode vollständig beseitigt.

Unter Laborbedingungen konnten die Forscher 100 Ladezyklen der Batterie durchführen, ohne ihre Kapazität zu beeinträchtigen. Ziel ist es, 500 Zyklen für einen Smartphone-Akku und 3 Zyklen für einen Elektroauto-Akku zu erreichen.

Wie die Wissenschaftler erklärten, nahmen sie die Siliziumelektrode, weil Silizium das vielversprechendste Material für die Herstellung von Elektroden ist, da es eine große Anzahl von Ionen enthält. Diese Eigenschaft hat jedoch eine Kehrseite – mit jeder Ladung vergrößert sich die Elektrode maximal um das 3-fache, um sich bei entladenem Akku wieder auf die Nenngröße zu verkleinern. Dieser Prozess führt zu einer schnellen Zerstörung der Materialstruktur und einem Abfall der Eigenschaften der Batterie.

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Ultraviolette Strahlung hat ihre Vor- und Nachteile. Zu den Nachteilen gehört die Tatsache, dass es die zelluläre DNA schädigt und Hautkrebs hervorrufen kann. Zu den Pluspunkten gehört, dass Ultraviolett das Auftreten von Vitamin D stimuliert.

Forscher der Science and Technology University of China haben eine weitere vorteilhafte Eigenschaft von ultraviolettem Licht entdeckt – es stimuliert die Aktivität von Neuronen und hilft dem Gehirn beim Lernen. Bei der Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Neuronen bemerkten Wei Xiong und seine Kollegen plötzlich, dass sich unter den „intraneuronalen“ Molekülen Urocansäure befindet. Dies war seltsam, da es normalerweise als Reaktion auf UV-Strahlung auftritt und in Hautzellen gefunden werden kann; es existiert in einigen anderen Organen, zum Beispiel in der Leber – aber niemand hat jemals Urocaninsäure in Gehirnneuronen gesehen.

Weitere Experimente mit Mäusen zeigten, dass kein Fehler vorlag: Rasierte Mäuse wurden zwei Stunden lang mit mittelwelligem Ultraviolett oder Ultraviolett B bestrahlt (die Strahlungsdosis entsprach ungefähr der eines Menschen mit Sonnenbrand) - und Urocaninsäure trat auf im Gehirn von Tieren.

Aber wenn es in der Haut benötigt wird, um ultraviolette Strahlung zu absorbieren und dadurch Zellen vor Schäden und Mutationen zu schützen, warum wird es dann im Gehirn benötigt? Über Urocansäure ist bekannt, dass sie entsteht, wenn die Aminosäure Histidin in Glutaminsäure umgewandelt wird. Wie wir wissen, ist Glutaminsäure oder Glutamat einer der wichtigsten Neurotransmitter, der bei der Übertragung von Erregungssignalen zwischen Neuronen hilft. Und wie sich herausstellte, stieg im Gehirngewebe nach Urocansäure auch der Glutamatspiegel an.

Es blieb nur zu prüfen, wie Neuronen in Mäusen nach UV-Bestrahlung funktionieren. Wie zu erwarten war, tauschten jene Nervenzellen, die Glutamat als Neurotransmitter verwenden, Impulse effizienter aus. Und, was am wichtigsten ist, die bestrahlten Mäuse hatten verbesserte kognitive Funktionen: Sie merkten sich einige neue Informationen schneller und lernten schneller, was sie tun sollten – im Vergleich zu denen, die nicht mit UV-Strahlung bestrahlt wurden. Wenn das Enzym, das Urocansäure in Glutaminsäure umwandelt, in Neuronen ausgeschaltet war, dann gab es keine stimulierende Wirkung der UV-Strahlung, weder auf der Ebene der neuronalen Impulse noch auf der Ebene des Verhaltens.

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