{"id":162350,"date":"2018-12-27T13:03:28","date_gmt":"2018-12-27T12:03:28","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=162350"},"modified":"2018-12-27T13:03:28","modified_gmt":"2018-12-27T12:03:28","slug":"designprinzipien-sollen-smartphone-akkus-sicherer-machen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/designprinzipien-sollen-smartphone-akkus-sicherer-machen\/","title":{"rendered":"Designprinzipien sollen Smartphone-Akkus sicherer machen"},"content":{"rendered":"

Dendriten \u2013 also astartige Ausw\u00fcchse an der negativen Elektrode, der Anode \u2013 sind oft die Verursacher von Kurzschl\u00fcssen, die letztendlich auch zum Smartphone-Brand f\u00fchren k\u00f6nnen. Wissenschaftler der Uni Ulm haben nun untersucht, warum Lithium-Ionen-Akkus \u2013 diese werden meist in Mobiltelefonen eingesetzt \u2013, zur Dendritenbildung neigen, andere Speichersysteme, wie zum Beispiel magnesiumbasierte Batterien, jedoch nicht. Des Weiteren wurden auch Lithium-, Natrium-, Magnesium-Ionen, Aluminium- und Zink-Luft Batterien betrachtet sowie ein Zusammenhang zu m\u00f6glichen Calcium- und Kalium-Batterien hergestellt.<\/p>\n

\"\u00a9M\u00f6nig\/Kramer,
Lichtmikroskopische Aufnahme eines wachsenden Dendriten aus Lithium w\u00e4hrend der elektrochemischen Abscheidung des Metalls aus einer Elektrolytl\u00f6sung<\/figcaption><\/figure>\n

Selbstdiffusionsbarrieren verantworten Dendriten<\/strong><\/h3>\n

Bisher gingen die meisten Forscher davon aus, dass die Zusammensetzung der Oberfl\u00e4chenschicht auf der Anode und des Elektrolyten der Grund f\u00fcr die Dendritenbildung sei. Neuere experimentelle Forschungsergebnisse aus dem Helmholtz-Institut Ulm (HIU) \u2013einem Batterieforschungszentrum aus dem Zusammenschluss des Karlsruher Instituts f\u00fcr Technologie (KIT), der Universit\u00e4t Ulm sowie weiteren Partnern \u2013 deuten auf eine andere Ursache: Demnach scheint eine dem Metall innenwohnende Eigenschaft die Dendriten zu verursachen. Die Forscher um Professor Axel Gro\u00df, dem Leiter des Instituts f\u00fcr Theoretische Chemie an der Uni Ulm und Gruppenleiter am HIU sowie den Doktoranden Markus J\u00e4ckle, Erstautor der Studie, hatten f\u00fcr ihre Untersuchung sogenannte \u201eSelbstdiffusionsbarrieren\u201c verschiedener, in Akkus verwendeter, Metalle im Blick. Denn diese Barrieren beim Wiederaufladen der Batterie verantworten nach der Abscheidung die Verteilung der Metallatome auf der Anoden-Oberfl\u00e4che. Sie sorgen also daf\u00fcr, ob diese gleichm\u00e4\u00dfig oder ungleichm\u00e4\u00dfig angeordnet sind.<\/p>\n

Deskriptor zur Entwicklung von Alternativen<\/strong><\/h3>\n

\u201eWir haben uns gefragt, ob es eine einfache physikalisch-chemische Materialeigenschaft, einen sogenannten Deskriptor, gibt, mit dessen Hilfe man vorhersagen kann, ob metallische Anoden in Batterien zum Dendritenwachstum neigen. Dabei sind wir davon ausgegangen, dass die Beschaffenheit der Anoden-Oberfl\u00e4che, ob rau oder glatt, einen erheblichen Einfluss auf die Dendritenbildung hat\u201c, so Professor Gro\u00df. Genau dieser Deskriptor ist hochrelevant, um zuverl\u00e4ssige Nachfolgesystemen f\u00fcr Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Als Alternativen zum immer seltener werdenden Lithium, das in Energiespeichern meist in Kombination mit dem ebenfalls kritischen \u00dcbergangsmetall Kobalt verwendet wird, kommen \u00fcbrigens Aluminium, Natrium, Magnesium und auch Zink in Frage.<\/p>\n

Theoretische und experimentelle Forschungsergebnisse<\/strong><\/h3>\n

Die Forscher kombinierten f\u00fcr Ihre aktuelle Publikation Forschungsergebnisse aus der Theorie sowie aus Experimenten. Per Simulation an Supercomputern wie JUSTUS von der Uni Ulm und SUPERMUC aus dem Leibniz-Rechenzentrum in M\u00fcnchen berechnete das Team Diffusionsbarrieren sowie Eigenschaften der unterschiedlichen, in Batterien verwendeten Materialien auf atomarer Ebene. So konnten sie die experimentellen Daten des HIU und der anderen Einrichtungen im Detail nachvollziehen und erstmals Metalleigenschaften, die das Dendritenwachstum beeinflussen k\u00f6nnen, identifizieren.<\/p>\n

Magnesium und Aluminium ohne Dendritenwachstum<\/strong><\/h3>\n

Die Ergebnisse der Berechnungen best\u00e4tigen die wichtige Rolle der Selbstdiffusionsbarrieren: Beim Wiederaufladen der Batterie, nach dem Abscheiden, verteilen sich bei niedrigen Diffusionsbarrieren die Metallatome \u00e4u\u00dferst gleichm\u00e4\u00dfig. Entsprechende Materialien, wie beispielsweise Magnesium oder Aluminium, zeigen also kein Dendritenwachstum. Sind aber hohe Diffusionsbarrieren, wie sie bei Lithium- und Natrium-Speichern vorkommen, vorhanden, bilden sich raue Oberfl\u00e4chen. Diese wiederum beg\u00fcnstigen nadelartige, dendritische Strukturen. Demnach erlaubt die H\u00f6he der Diffusionsbarrieren also Deskriptor Vorhersagen dar\u00fcber, ob metallische Anoden in Batterien zu Dendritenwachstum neigen oder nicht.<\/p>\n

Schl\u00fcssel sind Anoden-Oberfl\u00e4che und Anoden-Material<\/strong><\/h3>\n

Zwar l\u00e4sst sich aus dem Beitrag der Forschenden noch keine vollst\u00e4ndige Theorie des Dendritenwachstums ableiten, wohl aber Designprinzipien f\u00fcr sichere Batterien. J\u00e4ckle fasst wie folgt zusammen: \u201eUnsere Ergebnisse lassen erwarten, dass wir Dendritenwachstum durch eine Verringerung der H\u00f6he von Selbstdiffusionsbarrieren gezielt verhindern k\u00f6nnen. Dies gelingt zum Beispiel durch die Modifikation der Anoden-Oberfl\u00e4che. Eine andere M\u00f6glichkeit w\u00e4re es, von vornherein Anodenmaterialien mit niedrigen Selbstdiffusionsbarrieren auszuw\u00e4hlen, die aufgrund dieser Eigenschaft nicht zur Dendritenbildung neigen.\u201c Auf dieser Basis lassen sich Designempfehlungen formulieren, die bei der Entwicklung zuverl\u00e4ssiger neuer Speichersysteme helfen \u2013 nicht nur f\u00fcr Smartphones und Laptops, sondern auch im Hinblick auf globale Herausforderungen wie die Energiewende und die zunehmende Elektromobilit\u00e4t<\/p>\n

Energiespeicherforschung bei CELEST<\/strong><\/h3>\n

Das Forschungsvorhaben entstand im Zuge der Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm-Karlsruhe), die von der Universit\u00e4t Ulm, dem KIT und dem Zentrum f\u00fcr Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-W\u00fcrttemberg (ZSW) betrieben wird. Neben den Interessanten Ergebnissen hat die Studie eine weitere Besonderheit inne: An dem aktuellen Projekt haben nicht nur etablierte Professoren mitgewirkt, sondern bereits Nachwuchsforscher, von Bachelorstudierenden bis zu Doktoranden. Unterst\u00fctzt wurden die Forschenden bei den Berechnungen durch das Programm \u201eHigh Performance Computing in Baden-W\u00fcrttemberg\u201c (bwHPC) und das Gauss Center for Supercomputing.<\/p>\n

 <\/p>\n

Bild oben:\u00a0\u00a9Pixabay<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Dendriten \u2013 also astartige Ausw\u00fcchse an der negativen Elektrode, der Anode \u2013 sind oft die Verursacher von Kurzschl\u00fcssen, die letztendlich auch zum Smartphone-Brand f\u00fchren k\u00f6nnen. Wissenschaftler der Uni Ulm haben nun untersucht, warum Lithium-Ionen-Akkus \u2013 diese werden meist in Mobiltelefonen eingesetzt \u2013, zur Dendritenbildung neigen, andere Speichersysteme, wie zum Beispiel magnesiumbasierte Batterien, jedoch nicht. Des […]<\/p>\n","protected":false},"author":1706,"featured_media":504144,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"advgb_blocks_editor_width":"","advgb_blocks_columns_visual_guide":"","footnotes":""},"categories":[25213],"tags":[29488,29490,29492,29494,29496],"location":[24328],"article_type":[],"serie":[],"archives":[],"internal_archives":[],"reboot-archive":[],"class_list":["post-162350","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-nachhaltigkeit-de","tag-dendritenbildung","tag-energiespeicher","tag-selbstdiffusionsbarrieren","tag-smartphone-akkus","tag-uni-ulm","location-deutschland"],"blocksy_meta":[],"acf":{"subtitle":"","text_display_homepage":false},"author_meta":{"display_name":"Almut Otto","author_link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/author\/almut-otto\/"},"featured_img":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-content\/uploads\/2018\/12\/samsung-2770436_1280.jpg","coauthors":[],"tax_additional":{"categories":{"linked":["Nachhaltigkeit<\/a>"],"unlinked":["Nachhaltigkeit<\/span>"]},"tags":{"linked":["Dendritenbildung<\/a>","Energiespeicher<\/a>","Selbstdiffusionsbarrieren<\/a>","Smartphone-Akkus<\/a>","Uni Ulm<\/a>"],"unlinked":["Dendritenbildung<\/span>","Energiespeicher<\/span>","Selbstdiffusionsbarrieren<\/span>","Smartphone-Akkus<\/span>","Uni Ulm<\/span>"]}},"comment_count":"0","relative_dates":{"created":"Posted 7 years ago","modified":"Updated 7 years ago"},"absolute_dates":{"created":"Posted on December 27, 2018","modified":"Updated on December 27, 2018"},"absolute_dates_time":{"created":"Posted on December 27, 2018 1:03 pm","modified":"Updated on December 27, 2018 1:03 pm"},"featured_img_caption":"","series_order":"","_links":{"self":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/162350","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1706"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=162350"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/162350\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/media\/504144"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=162350"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=162350"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=162350"},{"taxonomy":"location","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/location?post=162350"},{"taxonomy":"article_type","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/article_type?post=162350"},{"taxonomy":"serie","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/serie?post=162350"},{"taxonomy":"archives","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/archives?post=162350"},{"taxonomy":"internal_archives","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/internal_archives?post=162350"},{"taxonomy":"reboot-archive","embeddable":true,"href":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/wp-json\/wp\/v2\/reboot-archive?post=162350"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}