Regierungsforscher streben nach Besserem

Forscher des Energieministeriums arbeiten mit Batterieherstellern zusammen, um ihnen dabei zu helfen, neue Wege zur Herstellung billiger Batterien zu finden, die viel Energie speichern können

Das Energieministerium baut seine Partnerschaften mit Batterieherstellern aus, um sie bei der Neugestaltung und Kostensenkung künftiger Batterien zu unterstützen.

Zu den Unternehmen gehören Samsung Electronics Co. Ltd. und Panasonic Corp., und die Bemühungen sollen den Vereinigten Staaten helfen, angesichts der wachsenden globalen Nachfrage nach besseren Batterien mit anderen Ländern zu konkurrieren. Der Bedarf an kosteneffizienteren Batterien ist mit den Fortschritten bei Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien gestiegen, die beide diese Technologie nutzen.

Ein Großteil der DOE-Forschung konzentrierte sich auf Materialien – beispielsweise auf die Suche nach neuen Wegen zum Bau billiger Batterien, die viel Energie speichern können. Die Schritte, zusammengefasst in „Powering the Future“, einem Bericht, den NREL letzte Woche veröffentlichte, könnten dazu beitragen, die Abhängigkeit der Batterien von knappen importierten Materialien zu verringern, indem das Batteriedesign geändert wird, um den Bedarf an Kobalt, Graphit und Nickel zu begrenzen.

Die Verwendung von Silizium – einem harten, spröden, kristallinen Element, das in den Vereinigten Staaten und auf der ganzen Welt reichlich vorhanden ist – „wird wahrscheinlich das nächste neue große Ding sein“, sagte Matt Keyser, Leiter der Electrochemical Energy Storage Group am NREL Golden, Colorado.

Da Silizium vier- bis fünfmal mehr Strom speichern kann als Graphit – das normalerweise in Batterien verwendet wird – würde dieser Schritt die Größe und das Gewicht von Batteriepaketen reduzieren. Das könnte den Einsatz von Batterien in größeren Flugzeugen fördern, „weil man in der kleinstmöglichen Masse so viel Energie wie möglich speichern möchte“, sagte Keyser.

Ein weiteres vielversprechendes Ergebnis ist, dass die Größe der Elektrofahrzeugbatterien gleich bleiben würde, die Reichweite jedoch um 30 bis 40 Prozent steigen würde.

„Wir sind noch nicht so weit“, sagte Keyser und wies darauf hin, dass die Verwendung von Lithium Risse im Silizium verursacht und dessen Haltbarkeit verkürzt. „Noch drei bis fünf Jahre, und ich denke, wir werden das geschafft haben.“

Ein Teil dieses Vertrauens beruht laut dem NREL-Bericht auf leistungsstarken neuen Scannern und Computern, die Ingenieuren dabei helfen, mikroskopische Veränderungen in experimentellen Batterien zu erkennen und zu verfolgen.

Ein anderer Teil ist auf anstehende Designänderungen zurückzuführen, die es Batterieherstellern ermöglichen werden, bestimmte Materialien in vorhandenen Batterien zu ersetzen und diese zu recyceln – anstatt ältere Batterien zu schreddern, wenn ihre Energiespeicherkapazität nachlässt.

Batterien erfordern eine komplexe Zusammenarbeit zwischen Materialien, um Strom zu erzeugen und zu speichern. Sie müssen über eine negative Elektrode, eine sogenannte Anode, verfügen, die in einem Elektrolyten suspendiert ist, einem Material, bei dem es sich normalerweise um eine Flüssigkeit handelt, das einen elektrischen Strom zu einer positiven Elektrode, einer sogenannten Kathode, leitet.

Das Batterieteam am NREL konzentriert sich auf die Verwendung unterschiedlicher Lithiummischungen in Kombination mit anderen Materialien sowohl in der Anode als auch in der Kathode. Laut Keyser finden sie dabei Möglichkeiten, Kobalt und Graphit zu reduzieren, die beide teuer sind.

„Fortschritt kommt darauf an, sicherzustellen, dass sich verschiedene Komponenten innerhalb der Zelle gut zusammenarbeiten“, sagte Tony Burrell, ein weiterer NREL-Materialexperte, der im Batterieteam arbeitet. Im Bericht des Teams stellte er fest, dass die nachteiligen Verhaltensweisen einiger der neu eingeführten Materialien, wie etwa Silizium, durch Schutzbeschichtungen verringert werden.

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