Forschung -

Nano-Batterien als zukünftige Energielieferanten?

In modernen Handys befinden sich Milliarden von Nanoschaltern. Diese Schalter, die Transistoren, werden durch ein elektrisches Signal gesteuert, das von einer einzigen Batterie geliefert wird.

Diese Konfiguration mit einer Batterie zur Versorgung mehrerer Komponenten funktioniert für die heutigen Technologien recht gut, aber es gibt offensichtlich noch Verbesserungsmöglichkeiten.

Jedes Mal, wenn ein Signal von der Batterie zu einer Komponente geleitet wird, geht auf einer derartigen "Fahrt" etwas Energie verloren. Die Kopplung jeder Komponente mit einer eigenen Batterie wäre eine viel bessere Lösung, da sie den Energieverlust minimiert und die Lebensdauer der Batterie maximiert. In der heutigen Technologiewelt sind die Batterien jedoch nicht klein genug, um diese Konfiguration zu ermöglichen - zumindest jetzt noch nicht.

Nunmehr haben Forscher vom 'Lincoln Laboratory' und dem 'Department of Materials Science and Engineering' des MIT interessante Fortschritte bei der Entwicklung nanoskaliger Wasserstoffbatterien mit der Technologie der Wasserspaltung gemacht.

Mit diesen Batterien wollen die Forscher eine schnellere Ladung, eine längere Lebensdauer und weniger Energieverschwendung erreichen. Darüber hinaus sind die Batterien bei Raumtemperatur relativ einfach herzustellen und passen sich physikalisch den jeweiligen strukturellen Gegebenheiten an.

"Batterien sind eines der größten Probleme, mit denen wir im Labor konfrontiert sind", sagte Raoul Ouedraogo, der von der 'Advanced Sensors and Techniques Group' des 'Lincoln Laboratory' kommt. "Es besteht großes Interesse an sehr miniaturisierten Sensoren, deren Größe hinunter bis zum Durchmesser eines menschlichen Haares reicht".

"Wir könnten diese Art von Sensoren herstellen, aber viel Glück dabei, eine so kleine Batterie zu finden. Aktuelle Batterien können rund wie Knopfzellen, röhrenförmig oder dünn sein, aber nur im Zentimeterbereich. Wenn wir in der Lage sind, unsere eigenen Batterien in jede beliebige Form, Geometrie und auf billige Weise einzusetzen, öffnet dies Türen für eine ganze Reihe von Anwendungen."

Die Batterie erhält ihre Ladung durch die Interaktion mit Wassermolekülen, die sich in der Umgebungsluft befinden. Wenn ein Wassermolekül mit dem reaktiven, äußeren Metallbereich der Batterie in Kontakt kommt, wird es in seine Bestandteile zerlegt - ein Molekül Sauerstoff und zwei Moleküle Wasserstoff.

Die Wasserstoffmoleküle werden in der Batterie eingeschlossen und können bis zur Verwendung gespeichert werden. In diesem Zustand ist der Akku "geladen".

Um die Ladung freizusetzen, kehrt sich die Reaktion um. Die Wasserstoffmoleküle bewegen sich zurück durch den reaktiven Metallteil der Batterie und verbinden sich mit dem Sauerstoff in der Umgebungsluft.

Bisher haben die Forscher Batterien gebaut, die 50 nm dick sind. Sie haben auch gezeigt, dass sich die Batterienfläche von Zentimetern bis zu Nanometern skalieren lässt.

Diese Skalierbarkeit ermöglicht eine einfache Integration der Batterien in der Nähe von Transistoren auf Nano- und Mikroebene oder in der Nähe von Komponenten und Sensoren auf Millimeter- und Zentimeterebene.

"Ein nützliches Merkmal dieser Technologie ist, dass die Oxid- und Metallschichten sich sehr einfach in kundenspezifische Geometrien im Nanometerbereich formen lassen, was es einfach macht, komplizierte Batteriestrukturen für eine bestimmte Anwendung zu erstellen oder sie auf flexible Substrate abzuscheiden", sagte Annie Weathers, eine Mitarbeiterin der 'Chemical, Microsystem and Nanoscale Technologies Group' des Labors, die ebenfalls an dem Projekt beteiligt ist.

Die Batterien haben auch eine Leistungsdichte gezeigt, die zwei Größenordnungen höher ist als die der meisten derzeit verwendeten Batterien. Eine höhere Leistungsdichte bedeutet mehr Leistung pro Batterievolumen.

"Ich denke, was dieses Projekt zum Laufen gebracht hat, ist die Tatsache, dass keiner von uns ein Batterieexperte ist", sagte Ouedraogo. "Manchmal braucht es jemanden von außen, um neue Dinge zu sehen."

Derzeit werden Wasserspalttechniken zur Erzeugung von Wasserstoff für den industriellen Großbedarf eingesetzt. Dieses Projekt wird das erste sein, das die Technik zur Herstellung von Batterien in viel kleinerem Maßstab anwendet.

Das Projekt wurde über die 'Technology Office Energy Initiative' des 'Lincoln Laboratory' finanziert und befindet sich in der zweiten Entwicklungsphase, die die weitere Optimierung der Batterien und deren Integration mit Sensoren zum Ziel hat.

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