{"id":99073,"date":"2024-04-26T02:42:00","date_gmt":"2024-04-26T00:42:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=99073"},"modified":"2024-04-23T14:43:13","modified_gmt":"2024-04-23T12:43:13","slug":"batterien-heute-die-materialien-von-morgen-modellieren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/batterien-heute-die-materialien-von-morgen-modellieren\/","title":{"rendered":"Batterien: Heute die Materialien von morgen modellieren"},"content":{"rendered":"\n

Welche Faktoren bestimmen, wie schnell sich eine Batterie laden l\u00e4sst? <\/p>\n\n\n\n

Dieser und weiteren Fragen gehen Forschende am Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie (KIT) mit computergest\u00fctzten Simulationen nach. Mikrostrukturmodelle tragen dazu bei, neue Elektrodenmaterialien zu entdecken und zu untersuchen. F\u00fcr Natrium-Nickel-Manganoxid als Kathodenmaterial in Natrium-Ionen-Batterien zeigen die Simulationen \u00c4nderungen der Kristallstruktur beim Ladevorgang. Sie f\u00fchren zu einer elastischen Verformung, wodurch die Kapazit\u00e4t schrumpft. Die Forschenden berichten in der Zeitschrift npj Computational Materials<\/em>. (DOI: 10.1038\/s41524-024-01258-x<\/a>)\u00a0<\/p>\n\n\n\n

Die Forschung zu neuen Batteriematerialien zielt nicht nur darauf, Leistung und Lebensdauer zu optimieren sowie Kosten zu senken. Vielmehr geht es auch darum, seltene Elemente wie Lithium und Kobalt sowie toxische Bestandteile zu reduzieren. Als vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien, die auf \u00e4hnlichen Prinzipien basieren wie Lithium-Ionen-Batterien, sich jedoch aus in Europa ausreichend verf\u00fcgbaren Rohstoffen herstellen lassen. Sie eignen sich f\u00fcr station\u00e4re und mobile Anwendungen. \u201eAls Materialien f\u00fcr die Kathode sind Schichtoxide wie Natrium-Nickel-Manganoxide vielversprechend\u201c, berichtet Dr. Simon Daubner, Gruppenleiter am Institut f\u00fcr Angewandte Materialien \u2013 Mikrostruktur-Modellierung und Simulation (IAM-MMS) des KIT und korrespondierender Autor der Studie. Im Exzellenzcluster POLiS (steht f\u00fcr: Post Lithium Storage<\/em>) forscht er an der Natrium-Ionen-Technologie.<\/p>\n\n\n\n

Beim schnellen Laden kommt es zu mechanischen Spannungen<\/h4>\n\n\n\n

Bei diesen Kathodenmaterialien gibt es allerdings ein Problem: Natrium-Nickel-Manganoxide \u00e4ndern ihre Kristallstruktur, je nachdem, wie viel Natrium gerade gespeichert ist. Wird das Material langsam geladen, geht alles geordnet zu. \u201eSchicht f\u00fcr Schicht geht das Natrium aus dem Material \u2013 wie in einem Parkhaus, das sich etagenweise leert\u201c, erkl\u00e4rt Daubner. \u201eAber wenn es schnell gehen muss, wird das Natrium von allen Seiten herausgezogen.\u201c Dadurch kommt es zu mechanischen Spannungen, die das Material dauerhaft sch\u00e4digen k\u00f6nnen. <\/p>\n\n\n\n

Forschende am Institut f\u00fcr Nanotechnologie (INT) und am IAM-MMS des KIT haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der Universit\u00e4t Ulm und am Zentrum f\u00fcr Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-W\u00fcrttemberg (ZSW) diese Zusammenh\u00e4nge mithilfe von Simulationen aufgedeckt und berichten dar\u00fcber in npj Computational Materials, einer Zeitschrift aus dem Nature-Portfolio.<\/p>\n\n\n\n

Experimente best\u00e4tigen Simulationsergebnisse<\/h4>\n\n\n\n

\u201eComputermodelle k\u00f6nnen verschiedene L\u00e4ngenskalen beschreiben, von der Anordnung der Atome in Elektrodenmaterialien \u00fcber deren Mikrostruktur bis hin zur Zelle als funktionale Einheit jeder Batterie\u201c, sagt Daubner. Diese verbinden Mikrostrukturmodelle mit langsamen Lade- und Entladeexperimenten, um das Schichtoxid NaXNi1\/3Mn2\/3O2 zu untersuchen. Das Material weist mehrere Degradationsmechanismen auf, die zu Kapazit\u00e4tsverlust f\u00fchren. Daher taugt es derzeit noch nicht f\u00fcr kommerzielle Anwendungen. Wenn sich die Kristallstruktur \u00e4ndert, kommt es zu einer elastischen Verformung. Der Kristall schrumpft, was zu Rissen f\u00fchren kann und die verf\u00fcgbare Kapazit\u00e4t mindert. Wie am INT und am IAM-MMS vorgenommene Simulationen zeigten, ist dieser mechanische Einfluss so stark, dass er ma\u00dfgeblich beeinflusst, wie schnell sich das Material laden l\u00e4sst. Experimentelle Untersuchungen am ZSW best\u00e4tigten die Ergebnisse.<\/p>\n\n\n\n

Die in der Studie gewonnenen Erkenntnisse lassen sich teilweise auf andere Schichtoxide \u00fcbertragen. \u201eDa wir nun die grundlegenden Vorg\u00e4nge verstehen, k\u00f6nnen wir uns in weiteren Arbeiten der Entwicklung von Batteriematerialien widmen, die langlebig sind und sich m\u00f6glichst schnell laden lassen\u201c, fasst Daubner zusammen. Dadurch k\u00f6nnte der gro\u00dffl\u00e4chige Einsatz von Natrium-Ionen-Batterien in f\u00fcnf bis zehn Jahren Wirklichkeit werden.<\/p>\n\n\n\n