Eine bessere Batterie bauen

Wissenschaftler wissen, was dazu führt, dass Lithium-Ionen-Batterien Energie freisetzen, um unsere Telefone, Geräte, Autos – unser Leben – anzutreiben. Geladene Lithiumatome, sogenannte Ionen, bewegen sich durch einen flüssigen Elektrolyten in Graphitschichten, wodurch Elektronen fließen und Geräte mit Strom versorgt werden können. Dieser Vorgang wird Interkalation genannt.

Aber Wissenschaftler verstehen nicht viel über den Prozess, sagte Scott Warren, außerordentlicher Professor an der Chemieabteilung des College of Arts and Sciences. „Wie gelangt Lithium in Graphit hinein und aus ihm heraus? Wie wird geladen? Wie entlädt es sich?“

Antworten auf diese Fragen sucht Miguel Reyna, ein Student im Chemiestudium aus Fayetteville, North Carolina, in Warrens Labor. Ein Summer Undergraduate Research Fellowship in Höhe von 5.000 US-Dollar unterstützt Reynas Forschung.

Reyna beschäftigt sich mit der Interkalation, die mehrere Farben erzeugt. „Rot, Orange, Gelb, Blau, Lila – eine Farbe für jede einzelne Phase dieser Transformation“, sagte Warren. „Diese Stadien wurden noch nicht vollständig charakterisiert. Was passiert in jeder dieser Phasen?“

Durch die konsequente Reproduktion und Analyse der Stadien hofft Reyna, das Verständnis der Forscher für Batterien zu erweitern und zu deren Verbesserung beizutragen. Ein Ziel besteht darin, mehr Lithium in Batterien zu speichern, um die Energie für eine längere Batterieladung zu erhöhen.

„Es ist, als würde man versuchen, die Schublade eines Aktenschranks optimal zu nutzen. Lithium ist das Papier. Wir haben eine Schublade voller Ordner und fragen uns, wie viele Zettel hineinpassen und es noch funktioniert“, sagte Reyna.

Wenn man zu viel Lithium in den gleichen Raum stopft, um Spannung oder Leistung zu erhöhen, könnte die Batterie laut Warren anschwellen, auslaufen, reißen oder unerwünschte chemische Reaktionen eingehen.

Reyna beginnt seine Experimente mit dem Bau eines Geräts, das auf der Anatomie von Haushaltsbatterien basiert und über zwei Elektroden verfügt – eine positive und eine negative. Sie speichern und geben beim Laden und Entladen Lithium-Ionen ab, so wie ein Schwamm Wasser aufsaugt und es dann wieder abgibt, wenn man es zusammendrückt. Ein Elektrolyt, normalerweise eine Flüssigkeit, die gelöstes Lithiumsalz enthält, leitet oder ermöglicht den Fluss von Lithiumionen zwischen den Elektroden, um elektrische Energie zu speichern und zu erzeugen.

Ein Laborobjektträger aus Glas ist das Fundament des Geräts. Reyna beschichtet den Objektträger mithilfe einer Sputtermaschine mit einer glänzenden Titanschicht, die dünn wie eine Seifenblase ist. Er klebt einen Teflonrahmen (denken Sie an einen rechteckigen Miniaturfensterrahmen) mit Epoxidharz auf die Folie. Mit einer langen Pinzette bringt er eine Graphitschicht dünn wie ein menschliches Haar in den Rahmen und wendet dann einen Spannungsmesser an, um sicherzustellen, dass sie den Strom leitet.

Nachdem das Epoxidharz drei Tage lang ausgehärtet ist, geht es an einen Arbeitsplatz, der Handschuhfach genannt wird und in dem sich kein Sauerstoff befindet. Reyna platziert das Gerät durch eine Luftschleuse in der Box und greift dann mit langen Gummihandschuhen hinein, die an Löchern in der Box befestigt sind, um den Objektträger zu halten. Er fügt Lithium in flüssiger Form hinzu und versiegelt das Gerät.

Anschließend legt er das Gerät unter ein optisches Mikroskop, um die Qualität des Geräts zu überprüfen. Wenn es strukturell einwandfrei ist, beginnt er, die Interkalation vier Stunden lang auf Video aufzuzeichnen. Hier hofft er, Migrationsstadien in Farben zu sehen.

Sein Ziel ist es, das Gerät und das Experiment konsistent zu reproduzieren und ein Fortschrittsmuster über viele Experimente hinweg zu sehen. „Ich hoffe, dieses Gerät so verfeinern zu können, dass wir die Farben perfekt sehen können.“ Sobald er das Muster durchgängig sieht, kann das Team andere bildgebende Methoden nutzen, um mehr über die Interkalation zu erfahren.

„Wenn wir die Grundlagen verstehen, könnten wir herausfinden, wie wir es effizienter machen und vielleicht einige Innovationen bei Batterien einbringen können“, sagte Reyna.