NASA will mit SABERS eine bessere, sicherere Batterie schaffen

THEMEN:
Batterietechnologie, NASA
Von JOHN GOULD, NASA 11. APRIL 2021

Neue Batteriedesigns, die sicherer sind als die heutigen Modelle, werden benötigt, um das elektrisch angetriebene Flugzeug von morgen wie das in dieser Abbildung gezeigte anzutreiben. Ein NASA-Forschungsprojekt namens SABERS testet neue Wege, um sowohl bekannte als auch exotische Materialien zu kombinieren, um diese bessere Batterie zu bauen. Bildnachweis: NASA

Der Umgang mit Akkuproblemen auf unseren Telefonen, Tablets oder Laptops kann frustrierend sein.

Obwohl Batterien im Alltag allgegenwärtig sind, erleiden viele dennoch Ausfälle und Ausfälle. Die kleine Unannehmlichkeit, sie häufiger aufladen zu müssen, kann sogar zu kostspieligen Reparaturen oder dem Kauf eines neuen Geräts führen. Batterien in größeren Elektronikgeräten wie Hoverboards oder Autos können sogar Feuer fangen.

Mit zunehmender Betonung der Nachhaltigkeit in der Luftfahrt wächst das Interesse an der Verwendung von Batterien, um elektrische Antriebssysteme in Flugzeugen aller Größen teilweise oder vollständig mit Strom zu versorgen, jeden Tag.
Die Frage ist also, könnte es einen besseren Weg geben, Batterien zu bauen, die absolut sicher sind und nicht versagen oder sogar Feuer fangen?

Eine NASA-Aktivität namens SABERS oder "Solid-State Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety" erforscht, wie eine sicherere Batterie durch den Einsatz brandneuer Materialien und neuartiger Konstruktionsmethoden hergestellt werden kann.

Ziel ist es, eine Batterie zu schaffen, die eine deutlich höhere Energie hat als die derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Batterien. Diese Batterie würde auch im Laufe der Zeit nicht an Kapazität verlieren, Feuer fangen oder Passagiere gefährden, wenn etwas schief geht.

„Anstatt eine Batterie aus dem Regal zu nehmen, haben wir uns entschieden, eine Batterie von Grund auf neu zu entwickeln, die auf die einzigartigen Leistungsanforderungen eines Elektroflugzeugs zugeschnitten ist“, sagte Rocco Viggiano, leitender SABERS-Forscher bei der NASA s Glenn Research Center in Cleveland.
Es stellte sich heraus, dass Festkörperbatterien die Rechnung erfüllen.

Im Gegensatz zu vielen heutigen Batterien haben die Batterien, die SABERS kreieren möchte, keine Flüssigkeit in ihrem Design. Eine vollfeste Batterie hat eine weniger komplizierte Verpackung, verringert die Sicherheitsrisiken und kann größeren Schäden standhalten als eine Batterie mit Flüssigkeit darin.

Das Projekt hat die Verwendung einer einzigartigen Kombination der Elemente Schwefel und Selen untersucht, um elektrische Ladung zu halten.

„Eine Schwefel-Selen-Festkörperbatterie fühlt sich kühl an und fängt kein Feuer. Es hat ein schlankeres Profil als Lithium-Ionen-Akkus und verfügt über eine bessere Energiespeicherung. Es kann einiges aushalten und trotzdem funktionieren, oft unter nicht idealen Bedingungen«, sagte Viggiano.

Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass Schwefel ein Nebenprodukt der Ölraffination ist. Weltweit gibt es Lagerbestände des Elements, die zugänglich sind und nur darauf warten, verwendet zu werden. Mit etwas Fantasie kann aus diesem Abfallprodukt etwas gemacht werden, das umweltfreundliche Fahrzeuge antreibt.

Vorstellungskraft ist ein weiterer Aspekt von SABERS.

Das Projekt versucht, Elemente zu verwenden, die noch nie zuvor zu einer Batterie kombiniert wurden. So hat beispielsweise ein von der NASA entwickeltes Bauteil namens „holey Graphene“ (benannt nach den Löchern in seiner Oberfläche, die Luft durchlassen) eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Es ist ultraleicht und umweltfreundlich.

„Dieses Material wurde noch nie in Batteriesystemen verwendet und wir kombinieren es mit anderen Materialien, die noch nie verwendet wurden“, sagte Viggiano.

SABERS macht Fortschritte

Festkörperbatterien haben bekanntlich eine niedrige Entladerate. Mit anderen Worten, die Strommenge, die auf einmal aus der Batterie fließt, ist zu gering. Aber die SABERS-Forscher haben diese Entladerate fast verdoppelt, was bedeutet, dass Festkörperbatterien größere Elektronik betreiben könnten.

„Wir haben unser Ziel übertroffen. Mit mehr Entwicklung können wir diese Quote noch weiter verbessern“, sagte Viggiano. Die Ziele und Erfolge des Projekts haben die Aufmerksamkeit von Unternehmen wie Uber und mehreren anderen Unternehmen auf sich gezogen, die an der Herstellung von Fahrzeugen für zukünftige Advanced Air Mobility-Umgebungen interessiert sind.

Der nächste Schritt für SABERS besteht darin, das Batteriedesign auf Herz und Nieren zu prüfen. Dazu gehört das Testen der Funktionsweise in praktischen Situationen, die Sicherstellung der Sicherheit und das Sammeln von Daten zu seiner Leistung. Bei Erfolg könnte das Design noch weiter optimiert werden.

Währenddessen bleibt die Sicherheit die wichtigste Überlegung.

Die aktuelle Batterieforschung orientiert sich hauptsächlich an der Automobilindustrie, deren Sicherheitsstandards im Allgemeinen weniger restriktiv sind als diejenigen, die für Luftfahrtanwendungen erforderlich sind, in denen die Batterien einer stressigeren Umgebung ausgesetzt sind.

SABERS möchte dazu beitragen, diesen neuen, höheren Standard für den Einsatz in der Luftfahrt zu setzen, indem es beweist, dass sicherere Batterien sowohl technisch machbar als auch wirtschaftlich lukrativ sind.

Welche Anforderungen sollten diese Festkörperbatterien erfüllen? Basierend auf einer Analyse dessen, was für den Betrieb eines praktischen Elektroflugzeugs erforderlich sein könnte, konzentrierte sich SABERS auf die fünf Aspekte Sicherheit, Energiedichte, Entladungsrate, Gehäusedesign und Skalierbarkeit.

Im Wesentlichen müssen diese Batterien vor allem sicher sein. Sie müssen auch eine enorme Menge an Leistung halten und diese Leistung effizient abgeben. Sie sollten auch eine schlanke und kompakte Form haben und mit einem möglichst detaillierten und gründlichen Ansatz entwickelt werden.

Letztendlich ermittelt SABERS die Machbarkeit sicherer Batterien für elektrisch angetriebene Flugzeuge. Im Erfolgsfall könnten diese Innovationen dazu beitragen, eine neue Ära der Stromspeicherung für den zukünftigen Flugverkehr einzuleiten.

SABERS ist Teil des Convergent Aeronautics Solutions-Projekts, das NASA-Forschern die Ressourcen an die Hand geben soll, die sie benötigen, um festzustellen, ob ihre Ideen zur Lösung einiger der größten technischen Herausforderungen der Luftfahrt realisierbar sind und vielleicht eine weitere Verfolgung innerhalb der NASA oder durch sie wert sind Industrie.

Ausgewählt als zweijährige Aktivität, die am 1. Oktober 2019 begann, können Unterbrechungen der Verfolgung aufgrund der COVID-19-Pandemie zu einer Verlängerung führen, obwohl noch nichts beschlossen wurde.