THEMEN:
Batterie,Technologie,DOE,Energie,Li-Ionen-Batterien
Von US-ENERGIEDEPARTEMENT 9. MAI 2021
Batterien und ähnliche Geräte nehmen Strom auf, speichern und geben Strom bei Bedarf ab. Batterien nutzen Chemie in Form von chemischen Potenzialen, um Energie zu speichern, genau wie viele andere alltägliche Energiequellen. Zum Beispiel speichern Baumstämme Energie in ihren chemischen Bindungen, bis die Verbrennung die Energie in Wärme umwandelt.
Benzin ist gespeicherte chemische potentielle Energie, bis sie in einem Automotor in mechanische Energie umgewandelt wird. Damit Batterien funktionieren, muss Elektrizität in eine chemische Potentialform umgewandelt werden, bevor sie ohne weiteres gespeichert werden kann.
Batterien bestehen aus zwei elektrischen Anschlüssen, der Kathode und der Anode, die durch ein chemisches Material, einen Elektrolyten, getrennt sind. Um Energie aufzunehmen und abzugeben, ist eine Batterie mit einem externen Stromkreis gekoppelt. Elektronen bewegen sich durch den Kreislauf, während sich gleichzeitig Ionen (Atome oder Moleküle mit elektrischer Ladung) durch den Elektrolyten bewegen.
In einer wiederaufladbaren Batterie können sich Elektronen und Ionen in beide Richtungen durch den Kreislauf und den Elektrolyten bewegen. Wenn sich die Elektronen von der Kathode zur Anode bewegen, erhöhen sie die chemische potentielle Energie und laden so die Batterie auf; wenn sie sich in die andere Richtung bewegen, wandeln sie diese chemische potentielle Energie im Kreislauf in Elektrizität um und entladen die Batterie. Während des Ladens oder Entladens bewegen sich die entgegengesetzt geladenen Ionen innerhalb der Batterie durch den Elektrolyten, um die Ladung der Elektronen, die sich durch den externen Stromkreis bewegen, auszugleichen und ein nachhaltiges, wiederaufladbares System zu erzeugen. Nach dem Aufladen kann die Batterie vom Stromkreis getrennt werden, um die chemische potentielle Energie für die spätere Verwendung als Strom zu speichern.
Batterien wurden 1800 erfunden, aber ihre chemischen Prozesse sind komplex. Wissenschaftler nutzen neue Werkzeuge, um die elektrischen und chemischen Prozesse in Batterien besser zu verstehen, um eine neue Generation hocheffizienter elektrischer Energiespeicher herzustellen. Sie entwickeln beispielsweise verbesserte Materialien für Anoden, Kathoden und Elektrolyte in Batterien. Wissenschaftler untersuchen Prozesse in wiederaufladbaren Batterien, weil sie sich beim Laden und Entladen der Batterie nicht vollständig umkehren. Im Laufe der Zeit kann das Fehlen einer vollständigen Umkehr die Chemie und Struktur der Batteriematerialien verändern, was die Batterieleistung und -sicherheit beeinträchtigen kann.
Fakten zur elektrischen Energiespeicherung
. Der Nobelpreis für Chemie 2019 wurde gemeinsam an John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino „für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien“ verliehen
. Das Electrolyte Genome am JCESR hat eine Computerdatenbank mit mehr als 26.000 Molekülen erstellt, die zur Berechnung wichtiger Elektrolyteigenschaften für neue, fortschrittliche Batterien verwendet werden kann.
DOE Office of Science & Electrical Energy Storage
Die vom DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) unterstützte Forschung hat zu signifikanten Verbesserungen bei der Speicherung elektrischer Energie geführt. Aber wir sind noch weit von umfassenden Lösungen für die Energiespeicherung der nächsten Generation entfernt, die brandneue Materialien verwenden, die die Energiespeicherung einer Batterie dramatisch verbessern können. Diese Speicherung ist entscheidend für die Integration erneuerbarer Energiequellen in unsere Stromversorgung. Da die Verbesserung der Batterietechnologie für die weit verbreitete Nutzung von Plug-in-Elektrofahrzeugen unerlässlich ist, ist die Speicherung auch der Schlüssel zur Verringerung unserer Abhängigkeit von Erdöl für den Transport.
BES unterstützt die Forschung einzelner Wissenschaftler und an multidisziplinären Zentren. Das größte Zentrum ist das Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), ein DOE Energy Innovation Hub. Dieses Zentrum untersucht elektrochemische Materialien und Phänomene auf atomarer und molekularer Ebene und verwendet Computer, um beim Design neuer Materialien zu helfen. Dieses neue Wissen wird es Wissenschaftlern ermöglichen, Energiespeicher zu entwickeln, die sicherer sind, länger halten, schneller aufladen und eine größere Kapazität haben. Da Wissenschaftler, die vom BES-Programm unterstützt werden, neue Fortschritte in der Batteriewissenschaft erzielen, werden diese Fortschritte von angewandten Forschern und der Industrie genutzt, um Anwendungen in den Bereichen Verkehr, Stromnetz, Kommunikation und Sicherheit voranzutreiben.
