Wissenschaftler haben einen Durchbruch beim Verständnis der Funktionsweise von Batterien verkündet und erklärt, dies könne in Zukunft zu «signifikanten Fortschritten» bei deren Leistungsfähigkeit führen.
Forscher der Universitäten Dundee und Warwick in Großbritannien haben erstmals die Schlüsselrolle von Sauerstoff bei der Speicherung und Freisetzung von Batterieenergie identifiziert.
Bisher ging man davon aus, dass während des Ladevorgangs der größte Teil der Aktivität in den metallischen Elementen im Inneren der Batterie, wie Nickel, Kobalt oder Eisen, stattfindet und dass der Sauerstoff in der Batterie «passiv» ist.
Allerdings haben fortgeschrittene Computermodellierungen und Laborexperimente laut den Forschern gezeigt, dass Sauerstoff eine viel aktivere Rolle beim Lade- und Entladevorgang spielt.
Sie sagten, die Ergebnisse könnten zur Entwicklung von Batterien für Elektronikgeräte und Fahrzeuge führen, die schneller laden, länger halten und sicherer in der Anwendung sind.
«Die Menschen auf der ganzen Welt sind zunehmend auf erneuerbare Energietechnologien und fortschrittliche Energiespeichersysteme angewiesen, von den Mobiltelefonen in unseren Taschen bis hin zu den Autos, die wir fahren», sagte Dr. Hrishit Bannerjee, theoretischer Physiker an der Fakultät für Naturwissenschaften, Ingenieurwesen und Wirtschaft der Universität Dundee.
«Dadurch wird das Verständnis der Technologien, die den elektronischen Prozessen in Batteriematerialien zugrunde liegen, immer wichtiger. Diese Forschung ist von entscheidender Bedeutung und liefert uns neue Erkenntnisse darüber, wie Batterien auf fundamentaler Ebene funktionieren.».
Die Studie verglich die beiden heute gebräuchlichsten Arten von Lithium-Ionen-Batteriekathoden: Phosphate und Schichtoxide.
Zusammen werden diese Batterietypen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Elektrofahrzeuge und tragbare Elektronikgeräte wie Mobiltelefone und Laptops.
Die Studie ergab, dass bei den Phosphaten nur eine geringe Sauerstoffbeteiligung auftrat, während bei den Schichtoxiden eine «signifikante» Elektronenextraktion aus Sauerstoff beobachtet wurde.
«Indem wir unser Verständnis davon verbessern, was auf der kleinsten atomaren Ebene im Inneren von Batterien passiert, können wir große Fortschritte bei der Verbesserung ihrer Leistung unter realen Bedingungen erzielen», sagte Dr. Bannerjee.
«Die derzeitigen Technologien sind durch unser Verständnis der grundlegenden physikalischen Prinzipien, die den Ausfall von Batterien im Laufe der Zeit erklären, begrenzt. Dieses allgemeine Konzept wird uns helfen, Batterien mit deutlich längerer Lebensdauer zu entwickeln.».
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.