Faszination Technik Neuartiges Material organisiert sich selbst

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie mit einem neuartigen Material Batterien entstehen, die sich am Ende ihrer Nutzung fast wie von selbst recyceln.

Der heutige Boom bei Elektrofahrzeugen ist der Elektronikschrottberg von morgen. Und obwohl unzählige Anstrengungen unternommen werden, um das Recycling von Batterien zu verbessern, landen viele EV-Batterien immer noch auf Mülldeponien.

Ein Forschungsteam des MIT möchte dies mit einem neuartigen, sich selbst zusammenbauenden Batteriematerial ändern, das sich schnell auflöst, wenn es in eine einfache organische Flüssigkeit getaucht wird. In einem neuen Artikel, der in Nature Chemistry veröffentlicht wurde, zeigten die Forscher, dass das Material als Elektrolyt in einer funktionierenden Festkörperbatteriezelle dienen und dann innerhalb von Minuten wieder in seine ursprünglichen molekularen Bestandteile zurückkehren kann.

Batterierecycling vereinfachen

Heute erfordert das Recycling von Batterien aggressive Chemikalien, hohe Temperaturen und komplexe Verfahren. Eine Batterie besteht aus drei Hauptkomponenten: der positiv geladenen Kathode, der negativ geladenen Elektrode und dem Elektrolyten, der Lithiumionen zwischen ihnen transportiert. Die Elektrolyte in den meisten Lithium-Ionen-Batterien sind leicht entflammbar und zerfallen mit der Zeit in giftige Nebenprodukte, die einer speziellen Behandlung bedürfen.

Um den Recyclingprozess zu vereinfachen, entwickelten die Forschenden einen nachhaltigeren Elektrolyten:

• Dazu wandten sie sich einer Klasse von Molekülen zu, die sich in Wasser selbst organisieren und als Aramid-Amphiphile (AAs) bezeichnet werden, deren chemische Strukturen und Stabilität denen von Kevlar ähneln.

• Die Forscher entwickelten die AAs weiter, sodass sie an einem Ende jedes Moleküls Polyethylenglykol (PEG) enthalten, das Lithiumionen leiten kann.

• Wenn die Moleküle Wasser ausgesetzt werden, bilden sie spontan Nanobänder mit ionenleitenden PEG-Oberflächen und -Basen, die durch enge Wasserstoffbrückenbindungen die Robustheit von Kevlar nachahmen.

• Das Ergebnis ist eine mechanisch stabile Nanobandstruktur, die Ionen über ihre Oberfläche leitet.Wenn sie zu Wasser hinzugefügt werden, lagern sich die Nanobänder selbstständig zu Millionen von Nanobändern zusammen, die zu einem Festkörpermaterial werden können.

„Das Material besteht aus zwei Teilen“, erklärt Yukio Cho, Erstautor der Arbeit, PhD ’23. „Der erste Teil ist diese flexible Kette, die uns ein Nest oder einen Wirt bietet, in dem Lithiumionen herumhüpfen können. Der zweite Teil ist diese starke organische Materialkomponente, die in Kevlar verwendet wird, einem kugelsicheren Material. Diese beiden Teile machen die gesamte Struktur stabil.“

Batterie zerlegt sich selbst

Das Team testete die Festigkeit und Zähigkeit des Materials und stellte fest, dass es den Belastungen standhalten kann, die mit Herstellung und Betrieb von Batterien verbunden sind. Außerdem konstruierten sie eine Festkörperbatteriezelle, die Lithium-Eisenphosphat als Kathode und Lithium-Titanoxid als Anode verwendete, beides gängige Materialien in heutigen Batterien. Die Nanobänder transportierten Lithiumionen erfolgreich zwischen den Elektroden, aber ein als Polarisation bekannter Nebeneffekt begrenzte die Bewegung der Lithiumionen.

Als sie die Batteriezelle aber in organische Lösungsmittel tauchten, löste sich das Material sofort auf, wobei sich alle Teile der Batterie voneinander lösten, was das Recycling erleichtert.

Recycling von Beginn an mitgedacht

Die Forscher sprechen von einem „recycle-first“-Ansatz, weil hier Recycling nicht mehr als spätes Problem betrachtet wird, sondern von Beginn an ins Design integriert ist. Der Prototyp ist aktuell noch nicht auf maximaler Leistung. Die Ionenbewegung durch die Nanostrukturen ist langsamer als bei etablierten Materialien. Doch die Vision ist klar: Schon wenn dieses Material als zusätzliche Schicht in herkömmlichen Elektrolyten eingesetzt würde, könnte es den entscheidenden Auslöser für ein kontrolliertes, umweltfreundliches Recycling liefern.

Die Arbeit wurde teilweise von der National Science Foundation und dem US-Energieministerium unterstützt und teilweise unter Verwendung der MIT.nano-Charakterisierungsanlagen durchgeführt.

Neben Cho sind an der Veröffentlichung beteiligt: der Doktorand Cole Fincher, Ty Christoff-Tempesta PhD ’22, Kyocera-Professor für Keramik Yet-Ming Chiang, Gastprofessorin Julia Ortony, Xiaobing Zuo und Guillaume Lamour.

Veröffentlichung in Nature Chemistry.

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