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Dank Graphen-Käfigen: Akkus sollen bald 10-fache Kapazität aufweisen

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SLACEs ist ein Versprechen, welches schon vielfach gegeben wurde. Die Akkutechnik hat sich seit Jahren nur in einigen Details verbessert. Sie lassen sich schneller laden, geben ihre Ladung ebenso schnell wieder ab und besitzen keinen Memoryeffekt mehr – grundlegende Sprünge bei der Kapazität hat es aber schon länger nicht gegeben.

Nun hat ein Forschungsteam der Stanford University und des Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory eine Methode entwickelt, welche Silizium-Lithium-Ionen-Anoden in Akkus möglich machen soll. Mit diesen Anoden sind Akkus denkbar, die über eine um den Faktor zehn höhere Kapazität verfügen. Natürlich sind auf gleichem Wege auch Akkus mit gleicher Kapazität zu aktuellen Modellen denkbar, die dann kleiner und leichter sind.

Fertigung eines Graphen-Käfigs
Fertigung eines Graphen-Käfigs

Das Forschungsteam macht sich den Umstand zunutze, dass sich Silizium in einer solchen Anode beim Ladevorgang um den Faktor drei aufbläht, dann Risse bekommt und schlussendlich aufplatzt. Zudem reagiert es mit dem Elektrolyt und bildet eine Beschichtung, welche die Leistung theoretisch sogar verringert. Um dem entgegenzuwirken, steckt das Forschungsteam eine Silizium-Anode in einen passgenauen Käfig aus Graphen.

Der Graphen-Käfig darf dabei nur genau so groß sein, dass er aus Aufblähen des Siliziums ermöglicht, aber noch alle Partikel zusammenhält, wenn es aufplatzt. Die Käfige weisen dabei auch eine gewisse Flexibilität auf und können sich leicht dehnen und zusammenziehen. Zudem schützt das Graphen die Anode vor Reaktionen mit dem Elektrolyt. Das Verfahren lässt sich aber auch auf andere Kombinationen aus Anode und Kathode anwenden. Um den mikroskopischen Käfig passgenau zu fertigen, wird das Siliziumpartikel zunächst mit einer Nickelschicht überzogen. Auf Nickelschicht, die als Katalysator dient, wird das Graphen herangezogen. In einem letzten Schritt wird das Nickel wieder weggeätzt.

Zeitraffer eines sich aufblähende Silizium-Kristalls in einem Graphen-Käfig
Zeitraffer eines sich aufblähende Silizium-Kristalls in einem Graphen-Käfig

Die Silizium-Partikel weisen eine Größe von 3 µm auf. Der dazu notwendige Rohstoff ist und billig und leicht zu bekommen. So fällt er an, wenn Silizium-Einkristalle auf eine bestimmte Größe gebracht werden, um dann als Wafer zu einem Chip belichtet zu werden. Solch große Silizium-Partikel sind eigentlich in einem Akku gänzlich ungeeignet und werden erst durch den Graphen-Käfig nutzbar gemacht.

Der nächste Schritt ist nun die Fertigung der Käfige zu verfeinern und eine Methode zu entwickeln, diese milliardenfach zu produzieren, so dass eine testweise Fertigung entsprechender Akkus angedacht werden kann.

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Kommentare (24)

#15
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Registriert seit: 01.01.2015
€uropäische Union - Bairischer Sprachraum
Korvettenkapitän
Beiträge: 2434
Als ich den Titel gelesen habe, ist mir sofort ein Gedanke gekommen, der im übertragenen Sinn ident mit dem ersten Satz des Artikels ist "Schon wieder einer der das verspricht, und wie immer kommt am ende nichts dabei heraus".
Ganz offen gesagt, langsam gewinne ich den Eindruck als würde man versuchen neuere Erfolge in dem Bereich zu sabotieren, mit dem selben Zweck was die Öl-Lobbyisten anstreben, den altbewährten Weg weiter zu führen um um keinen Gewinn zu verlieren, mit Akkus macht man sicher viel Gewinn weil es ein Verbrauchsteil ist was auch dazu dienen kann um den Konsum anzutreiben.
#16
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Registriert seit: 23.08.2008
Bitz
Anime und Hardware Otaku
Beiträge: 12425
Toll: eine zeitraffer Animation von einem Furz und ein leeres Versprechen :D

Bla Bla bla ... ich will nicht sehen / lessen was sein könnte (oder auch nicht),
sondern was jetzt schon ist oder demnächst (tatsächlich) erscheint.

BTW: 10-fache Akku Kapazität und das Ding braucht 18h zum Aufladen :fresse:
#17
Registriert seit: 28.03.2008

Oberbootsmann
Beiträge: 826
Würde für jeden 10. Artikel den ich in den letzten Jahren über den großen Durchbruch in der Akkuforschung gelesen habe auch nur ein neues Produkt am Markt erscheinen wäre Akkukapazität heute vermutlich kein Thema mehr.
Faktor 10 bei der Kapazität klingt zu schön um wahr zu sein.
#18
Registriert seit: 30.08.2014

Banned
Beiträge: 7059
Dass es technisch möglich ist, sollte wohl klar sein, ob es gewollt ist, ist wohl die wichtigere Frage.
#19
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Registriert seit: 06.02.2014
Im sonnigen Süden
Admiral
Beiträge: 11464
Zitat elchupacabre;24311520
Dass es technisch möglich ist, sollte wohl klar sein, ob es gewollt ist, ist wohl die wichtigere Frage.
:rolleyes: Natürlich ist man gewillt. Das ist ja grad der beste Aspekt des Kapitalismus - Derjenige der mit sowas auf dem Markt erscheint, verdient Milliarden.
Diese ganzen Theorien ala "die Etablierten Öl Multis, etc, etc. halten die Technologien zurück" haben doch nichts mit der Realität gemein. Grade die wissen dass ihre Zeit irgendwann abläuft und würden sich sicher nicht, die Gelegenheit entgehen lassen, auf eine neue Technologie zu setzen, wenn die wirklich in der Lage ist, die bestehenden Techniken abzulösen (das ist z.B. bei Elektroautos halt noch nicht direkt der Fall).

Sache ist aber, etwas so revolutionäres zu entwickeln geht nicht so einfach und schon garnicht schnell :/
#20
Registriert seit: 30.08.2014

Banned
Beiträge: 7059
Zitat DragonTear;24311810

Diese ganzen Theorien ala "die Etablierten Öl Multis, etc, etc. halten die Technologien zurück" haben doch nichts mit der Realität gemein.


Nur gut, dass du das allumfassende Wissen hast, um das sagen zu können. (Öl Multis sei mal dahingestellt)
#21
Registriert seit: 13.09.2008
Oben uff'm Speischer
Kapitän zur See
Beiträge: 3083
Zitat lll;24311165
Als ich den Titel gelesen habe, ist mir sofort ein Gedanke gekommen, der im übertragenen Sinn ident mit dem ersten Satz des Artikels ist "Schon wieder einer der das verspricht, und wie immer kommt am ende nichts dabei heraus".
Ganz offen gesagt, langsam gewinne ich den Eindruck als würde man versuchen neuere Erfolge in dem Bereich zu sabotieren, mit dem selben Zweck was die Öl-Lobbyisten anstreben, den altbewährten Weg weiter zu führen um um keinen Gewinn zu verlieren, mit Akkus macht man sicher viel Gewinn weil es ein Verbrauchsteil ist was auch dazu dienen kann um den Konsum anzutreiben.


Na na na, sei mal nicht so paranoid. Gerade die Entwicklung von Batterien steht unter einem immensen Fortschrittsdruck. Jeder Versuch, den Status Quo stabil zu halten, würde für die besagte Firma binnen eines einzigen Jahres katastrophal nach hinten losgehen.

Der Grund, warum Meldungen wie diese nie wirklich in plötzliche Sprünge bei der Batterieleistung ausarten, ist ein ganz anderer: Weil es eben Laborresultate sind. Und Laborresultate sind bei Batterien ziemlich realitätsfern, genau wie dieses hier auch. So wird hier ganz groß die 10-Fache Kapazität beworben, aber alle anderen (genauso wichtigen) Kennzahlen mal wieder geflissentlich ausgelassen: Wieviel Volt Ausgangsspannung, und wie skaliert diese über die Gesamtkapazität? Wieviel Ampere Ausgangsstrom, und wie skaliert dieser über die Gesamtkapazität? Was ist mit dem Verhältnis all dieser Werte zum Gewicht der Batterie (Energiedichte, Leistungsdichte etc.)? Dieselbe Frage lässt sich bezogen auf das Volumen wiederholen. Wieviele Ladezyklen bis zum Ausfall? Und, diese Ladezyklen bei welchem Ladestrom? Wie skaliert die Lebensdauer bei steigendem Ladestrom (Stichwort Fast Charging)? Wie sehen die Temperaturtoleranzen aus? Sind die eingesetzten Materialien preisgünstig und in großen Mengen verfügbar? Und, das wichtigste zum Schluss: kann die Herstellung überhaupt im großindustriellen Stil automatisiert werden?

Laborresultate mit neuen Spitzenwerten gibt es zu hunderten. Leider werden 90% dieser Resultate allein dadurch erreicht, dass zugunsten eines einzigen Wertes alle anderen Kennzahlen komplett kaputtgemacht werden. Das zehnfache der heutigen Batteriekapazität? Das war vor 10 Jahren auch schon möglich, allerdings auch nur mit einem Bruchteil der Lebensdauer, und einer so katastrophalen Leistungsdichte, das man den Akku sogar größer als bisher machen müsste, um genug Strom für den Verbraucher bereitzustellen. Solche Details werden von der Presse aber so gut wie immer übergangen, weil in der Presse so gut wie keiner das nötige Fachwissen hat, um danach zu fragen - und Enttäuschungen machen halt auch keine guten Schlagzeilen! Darüberhinaus hat auch, wie aus diesem Thread leicht ersichtlich ist, der typische Leser genauso wenig (oder sogar noch weniger) Fachwissen, und schluckt Sensationsmeldungen ungefragt - höchstens noch mit einem kleinen Kommentar über die Verschwörung des Kapitalismus...

Und bei den verbleibenden 10% der Laborresultate, bei denen alles stimmt, kommt trotzdem nichts heraus... weil mit exotischen Materialen gearbeitet wurde, die in mühseligen händischen Prozessen geformt werden wollen, die komplett unmöglich zu automatisieren sind und/oder schlichtweg nicht in die Masse skalieren. Die Batterie ist toll, aber sinnvoll fertigen kann sie keine Fabrik der Welt. Diese Graphenkäfige hier fallen genau in diese Kategorie: eine Massenproduktion von Graphenprodukten gibt es einfach nicht. Vielleicht "noch" nicht, klar, aber das ändert nichts an der Tatsache, das diese Batterie heute schlichtweg nicht industriell produzierbar ist. Daher auch die am Ende des Artikels lesbare Aussage vom Entwickler, man wolle sich von nun an der Entwicklung der Fertigungstechnik widmen: die wissen genau, was ihr Problem ist, und wollen es lösen. Aber das kann viele Jahre dauern, wenn es überhaupt was wird, und mit großer Wahrscheinlichkeit werden Kompromisse nötig, die die endgültige Leistung der Batterie einschränken. In der Zwischenzeit geht die normale Entwicklung der Batterien weiter, und wenn das Produkt dann irgendwann endlich am Markt ankommt, dann ist der Vorteil nicht mehr weltbewegend.

Lithium-Ionen-Akkus sind jetzt über 20 Jahre alt, und es gibt einen extrem stabilen, extrem offensichtlichen Trend: jedes Jahr steigt die durchschnittliche Energiedichte (Kapazität pro Gewicht) um ca. 6%. Jedes Jahr, seit zwanzig Jahren, kumulativ - da hat sich durchaus was getan, auch wenn die Presse nicht darüber schreibt! Und der Entwicklungsdruck hat in letzter Zeit durch den steigenden Fokus auf Elektroautos eher noch zugenommen; schon für die nächsten fünf bis zehn Jahre gibt es Roadmaps, die dieses Wachstum genauso fortsetzen, wenn nicht sogar beschleunigen. Möglich machen dies nicht sensationelle Laborresultate, sondern stetige, inkrementelle Verbesserungen im großindustriellen Prozess. Kaum eine Batterieproduktionslinie läuft ein ganzes Jahr durch, ohne das irgendwo was umgestrickt wird. Das ist auch einer der Gründe dafür, dass Li-Ionen-Akkus weiterhin ziemlich teuer sind, obwohl die Zutaten billig und breit verfügbar sind - es gibt einfach kaum Zeit für neue Entwicklungen, die Entwicklungskosten zu amortisieren, bevor sie schon wieder ersetzt werden müssen. Ein Hersteller, der hier nicht mitzieht, wird ein-zwei Jahre später keine Kunden mehr haben.
#22
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Registriert seit: 01.06.2010

Oberstabsgefreiter
Beiträge: 393
@KeinNameFrei

Sehr guter Post, Respekt!

Ergänzend möchte ich sagen dass sich in manchen Bereichen der Akkutechnik auch gewaltig viel geändert hat, nur bekommen die meisten Konsumenten das nicht mit, weil ihr Kontakt mit Akkus sich auf Kleinelektronik beschränkt.

Z.b. haben wir seit ein paar Jahren extrem hochstromfeste und gleichzeitig robuste Akkus, die ganze neue Anwendungsfelder eröffnen. Im Bau und Konstruktionsbereich werden inzwischen Winkelschleifer und Stemmhämmer mit Akkus betrieben (z.b. Metabo LiHD), ein Einsatz der vor 10 Jahren noch ilusorisch war.
#23
Registriert seit: 02.09.2009

Flottillenadmiral
Beiträge: 5310
Zitat Asmodai23;24309922
Man braucht nur eine Ladestation die mit dem Netzanbieter "spricht" und das laden aller Autos über die Nacht verteilt und schon ist das Problem gelöst.

Auch das gehört zum Thema Infrastruktur.
Bislang sieht es doch so aus, das derjenige, der sich ein e-Auto kauft 'ne Verlängerungsschnur aus dem Fenster werfen muss, um sein Auto zu laden.
#24
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Registriert seit: 17.06.2005

Leutnant zur See
Beiträge: 1061
Zitat KeinNameFrei;24311821
...

Lithium-Ionen-Akkus sind jetzt über 20 Jahre alt, und es gibt einen extrem stabilen, extrem offensichtlichen Trend: jedes Jahr steigt die durchschnittliche Energiedichte (Kapazität pro Gewicht) um ca. 6%. Jedes Jahr, seit zwanzig Jahren, kumulativ - da hat sich durchaus was getan, auch wenn die Presse nicht darüber schreibt! Und der Entwicklungsdruck hat in letzter Zeit durch den steigenden Fokus auf Elektroautos eher noch zugenommen; schon für die nächsten fünf bis zehn Jahre gibt es Roadmaps, die dieses Wachstum genauso fortsetzen, wenn nicht sogar beschleunigen. Möglich machen dies nicht sensationelle Laborresultate, sondern stetige, inkrementelle Verbesserungen im großindustriellen Prozess. Kaum eine Batterieproduktionslinie läuft ein ganzes Jahr durch, ohne das irgendwo was umgestrickt wird. Das ist auch einer der Gründe dafür, dass Li-Ionen-Akkus weiterhin ziemlich teuer sind, obwohl die Zutaten billig und breit verfügbar sind - es gibt einfach kaum Zeit für neue Entwicklungen, die Entwicklungskosten zu amortisieren, bevor sie schon wieder ersetzt werden müssen. Ein Hersteller, der hier nicht mitzieht, wird ein-zwei Jahre später keine Kunden mehr haben.


Wer wie ich viele 18xxxer Akkus benutzt, sei es für Taschnelampen, eZigs, oder Werkzeuge, der kann dem absolut zustimmen. Vor ein paar Jahren hatte ein 18650er Akku gerade mal 1500mAh und war nur bis 10 Amp belastbar. Die heutigen 18650er haben hingegen schon 3000mAh und 30-40 Amp Spitzenlast. Leistungswerte innerhalb von zehn Jahren verdoppelt und die Ladezeit ist fast die gleiche, weil man die neueren Akkus auch mit höherer Last wieder aufladen kann.
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