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Diese Batterien könnten fünfmal mehr Energie speichern, indem sie den menschlichen Darm nachahmen

Diese Batterien könnten fünfmal mehr Energie speichern, indem sie den menschlichen Darm nachahmen


Forscher der University of Cambridge haben einen neuen Batterietyp entwickelt, der dank seines vom Darm inspirierten Designs eine längere Lagerung verspricht.

Der Prototyp verwendet eine Lithium-Schwefel-Batteriezelle anstelle des herkömmlichen Lithium-Ionen-Typs. Dies würde die Batterien energiedicht genug machen, um für eine ausgedehnte Verwendung zu halten.

[Mit freundlicher Genehmigung von Teng Zhao / Universität von Cambridge]

Heute ist Lithium-Ionen die am schnellsten wachsende und vielversprechendste Batteriechemie. In den letzten Jahren hat jedoch eine Art Lithium-Ionen-Akku Vorrang. Sie sind Lithium-Schwefel-Batterie.

Die Lithium-Schwefel-Batterien neigen jedoch dazu, sich schnell zu zersetzen. Um diesen Haken zu überwinden, entwickelten die Forscher die Lithium-Schwefel-Batterie der nächsten Generation mit der fünffachen Energiedichte eines Lithium-Ions, indem sie die Struktur der Zellen nachahmten, die Nährstoffe absorbieren.

Die Forscher des Cambridge Department of Material Science and Metallurgy entwickelten und testeten unter Anleitung von Dr. Vasant Kumar in Zusammenarbeit mit dem Beijing Institute of Technology ein leichtes nanostrukturiertes Material, das Zotten ähnelt. Im menschlichen Körper ist die Darmzotte eine zahlreiche fadenförmige Projektion, die die Oberfläche der den Dünndarm auskleidenden Schleimhaut bedeckt. Zotten nehmen die Flüssigkeiten und Nährstoffe während der Verdauung auf.

Lithium-Schwefel-Batterien lösen und diffundieren Polysulfide in flüssigen organischen Elektrolyten, die den Energiespeicher behindern. Um die Polysulfide einzufangen und wiederzuverwenden, ohne die Leitfähigkeit der Lithiumionen einzuschränken, wird eine bioinspirierte, bürstenartige Schicht aus Zinkoxid (ZnO) -Nanodrähten und miteinander verbundenen leitenden Gerüsten, die der Struktur von Zotten ähneln, auf der Oberfläche einer der Zotten angeordnet Batterieelektroden.

Grundstruktur der Lithium-Ionen-Batterie:

Es besteht aus drei Komponenten: einer Anode (negative Elektrode), einer Kathode (positive Elektrode) und einem Elektrolyten in der Mitte. Die allgemein geschichteten strukturierten Materialien für die Anode sind Graphit und Lithiumkobaltoxid für die Kathode. Durch den Elektrolyten bewegen sich positiv geladene Lithiumionen von der Kathode in die Anode hin und her. Die Kristallstruktur der Elektrodenmaterialien bestimmt jedoch, wie viel Energie in die Batterie gedrückt werden kann.

Das Design:

Die Zottenschichten bestehen aus eindimensionalen winzigen Zinkoxid-Nanodrähten. Diese bilden mit Polysulfiden eine sehr starke chemische Bindung. Dadurch kann das aktive Material länger verwendet werden, wodurch die Lebensdauer der Batterie verlängert wird. Die große Oberfläche fixiert das aktive Material an einem leitfähigen Gerüst, das es wiederverwendbar macht.

Das Team führte Versuche mit handelsüblichem makroporösem Nickelschaum als leitfähigem Rückgrat durch. Später für praktische Anwendungen wurde der Schaum durch eine ultraleichte mikro- / mesoporöse Kohlenstoff (C) -Nanofasermatte ersetzt, um das Gesamtgewicht der Batterie zu reduzieren.

Obwohl das Laden und Entladen des Akkus verbessert wurde, kann er immer noch nicht so viele Ladezyklen durchlaufen wie ein Lithium-Ionen-Akku. Außerdem muss eine Lithium-Schwefel-Batterie nicht so oft aufgeladen werden wie eine Lithium-Ionen-Batterie, wodurch die Erhöhung der Energiedichte die geringere Gesamtzahl von Lade- / Entladezyklen aufhebt. Die Batterien wurden zu Forschungszwecken entwickelt. Im Handel erhältliche Lithium-Schwefel-Batterien sind jedoch noch Jahre entfernt.

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"Es ist eine winzige Sache, diese Schicht, aber es ist wichtig. Dies führt uns weit durch den Engpass, der die Entwicklung besserer Batterien verhindert “, sagte der Co-Autor der Studie, Dr. Paul Coxon vom Cambridge Department of Materials Science and Meta.

Weitere Informationen finden Sie unterErweiterte Funktionsmaterialien.

Über die University of Cambridge

Geschrieben von Alekhya Sai Punnamaraju


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