Forscher der University of Texas at Austin, Northeastern University, Stanford University und des Argonne National Laboratory haben eine zentrale Ursache für den Leistungsabfall wiederaufladbarer Batterien identifiziert. Sie zeigen, dass wiederholtes Laden und Entladen die Zellen ausdehnen und zusammenziehen lässt; diese „Atmung" erzeugt mechanische Spannungen und führt zur sogenannten chemomechanischen Degradation. Die Studie erschien in Science.
Eine wichtige Entdeckung sind die sogenannten Dehnungskaskaden: Spannung baut sich in einer Region einer Elektrode auf und breitet sich in benachbarte Bereiche aus. Die Hunderttausenden Partikel in einer Elektrode bewegen sich nicht gleichmäßig, sodass lokale Spannungskonzentrationen entstehen, die im Laufe der Zeit Risse oder andere Schäden verursachen. Yijin Liu sagte: „Mit jedem ‹Atemzug› der Batterie gibt es ein gewisses Maß an Irreversibilität. Dieser Effekt sammelt sich im Laufe der Zeit an und führt schließlich zum Ausfall der Zelle.“
Die Forscher nutzten fortschrittliche Echtzeitbildgebung, darunter operando transmission X‑ray microscopy (TXM) und 3D X‑ray laminography, um diese Effekte während des Ladens und Entladens zu beobachten. Das Verhalten wurde erstmals in einem Gerät gesehen, das für ein anderes Projekt verwendet wurde: kommerzielle Ohrhörer.
Die Studie nennt mögliche Lösungen wie eine robustere Gestaltung der Elektroden oder gezielten Druck zur Verringerung von Schäden und plant, theoretische Modelle zu entwickeln, die die komplexen chemischen und mechanischen Wechselwirkungen in Elektroden erklären. Die Arbeit wurde vom Vehicle Technologies Office des US Department of Energy finanziert.
- Mitwirkende: UT, Northeastern, Sigray Inc., Stanford, SLAC, Argonne
Schwierige Wörter
- dehnungskaskade — Aufeinanderfolgende Spannungszunahmen in Materialbereichen einer ElektrodeDehnungskaskaden
- echtzeitbildgebung — Bildaufnahmen während ein Prozess läuft
- spannung — Kraft oder Druck in einem MaterialSpannungen
- elektrode — Stab oder Platte in Batterie zur chemischen ReaktionElektroden
- riss — Bruchlinien oder Spalten in festem MaterialRisse
- irreversibilität — Unumkehrbare Veränderungen nach wiederholter Belastung
- degradation — Fortschreitender Verlust von Leistung oder Funktion
Tipp: Fahre über markierte Wörter oder tippe darauf, um kurze Definitionen zu sehen – während du liest oder zuhörst.
Diskussionsfragen
- Welche Vor- und Nachteile könnten sich ergeben, wenn Hersteller Elektroden robuster gestalten, um die Degradation zu verringern? Nennen Sie zwei Gründe.
- Warum ist es wichtig, dass die Forscher die Effekte in kommerziellen Ohrhörern und nicht nur in Laborgeräten sahen? Welche Folgen hat das für Verbraucher?
- Wie könnten gezielter Druck oder andere mechanische Maßnahmen zur Verringerung von Schäden umgesetzt werden, und welche Risiken sollten dabei bedacht werden?
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