10:22 04 Dezember 2020
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    Wissenschaftler der russischen Nationalen Universität für Forschung und Technologie MISiS haben zusammen mit Kollegen aus Russland und Deutschland einen wirkungsvollen Ersatz für kostspielige Lithium-Ionen-Akkus entwickelt, wie der Pressedienst der Universität berichtet.

    Nach Angaben der Verfasser der entsprechenden Studie wurde ein Weg gefunden, Natrium-Batterien herzustellen, die deutlich günstiger als Lithium-Ionen-Akkus und perspektivisch eine höhere Leistung generieren können. Die Ergebnisse der Studie sind in der Zeitschrift “Nano Energy” veröffentlicht.

    Lithium-Ionen-Akkus kommen heutzutage nahezu überall zum Einsatz – in Handys, Laptops und anderen elektronischen Geräten, in Verkehrsmitteln und der Raumfahrttechnik. Lithium ist ein kostspieliger Stoff, seine Vorräte sind Experten zufolge beschränkt.

    Derzeit gibt es keine effektive Alternative für diese Akkus. Lithium ist ein Alkalimetall und eines der leichtesten Elemente der Mendelejew-Tabelle (Periodensystem der Elemente). Deshalb ist es den Forschern zufolge schwierig, einen Ersatz zu finden.

    Eine aussichtsreiche Alternative für das kostspielige Metall fand nun ein Team von Wissenschaftlern der MISiS, des Emmanuel-Instituts für biochemische Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (Deutschland) unter Leitung von Professor Arkadi Krascheninnikow. Die Forscher fanden heraus, dass bei einer bestimmten Anordnung der Atome der Alkalimetalle eine Energiekapazität wie bei Lithium erreicht werden kann.

    Diese spezielle Methode verlagere die Atome in mehreren Schichten übereinander, so die Forscher. Diese werde durch den Übergang der Metallatome unter hoher Spannung in den Raum zwischen zwei Graphen-Schichten erreicht.

    „Es hieß, dass die Lithium-Atome in den Akkus nur in einer Schicht liegen können, doch jüngste Experimente der Kollegen aus Deutschland zeigten, dass zwischen den Graphen-Schichten mehrschichtige stabile Lithium-Strukturen gebildet werden können. Für uns war es interessant, die Möglichkeit der Bildung solcher ‘Sandwiches‘ mit anderen Alkalimetallen zu analysieren“, wie einer der Autoren der Studie, der wissenschaftliche Mitarbeiter des Labors „Nichtorganische Nanomaterialien“ der MISiS Ilja Tschepkassow sagte.

    Den Forschern zufolge gilt Natrium als aussichtsreichster Ersatz für Lithium – Natrium ist weitaus verbreiteter in der Natur als Lithium. So besteht Kochsalz zur Hälfte aus diesem Element.

    Laut dem Modell der Wissenschaftler kann durch Anordnung einer zwei Atome dicken Natrium-Schicht zwischen zwei Graphen-Schichten eine Anode geschaffen werden, deren Leistungsstärke nur etwas weniger als bei der Anode in Lithium-Ionen-Akkus sein wird – rund 335 mAh/g gegenüber 372 mAh/g bei Lithium.

    “Berechnungen zeigten, dass der Anstieg der Zahl der Lithium-Schichten zum Verlust der Stabilität führt. Beim Natrium ist eine entgegengesetzte Tendenz zu erkennen – beim Anstieg der Zahl der Schichten nimmt die Stabilität der Strukturen zu“, so der leitende wissenschaftliche Mitarbeiter des Labors „Nichtorganische Nanomaterialien“ der MISiS und des Emmanuel-Instituts für biochemische Physik Sachar Popow.

    Als nächsten Schritt will das Forscherteam Versuchsmuster schaffen und anwenden. Bei einem Erfolg könnte man von einer neuen Akku-Generation sprechen – Natrium-Batterien, die mindestens genauso leistungsfähig, wenn nicht sogar leistungsfähiger als Lithium-Ionen-Akkus und deutlich günstiger sind, wie es bei dem Forschungsprojekt heißt.

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    Tags:
    Lithium-Akkus, MISIS