Hersteller von Elektrofahrzeugen nutzen das Synchrotron der Canadian Light Source (CLS) in Saskatoon, um Batterien mit einer Lebensdauer von acht Millionen Kilometern zu entwickeln, was etwa dem 25-fachen der durchschnittlichen Lebensdauer derzeit verwendeter Batterien entspricht.
Forscher nutzten ultrahelles Synchrotronlicht des CLS-Teilchenbeschleunigers der Universität Saskatchewan, um einen mikroskopischen Blick auf das Innenleben einer normalen Lithium-Ionen-Batterie und der neuen „Einkristall-Elektroden“-Batterie zu werfen. Tesla Canada hat die Forschung mitfinanziert.
Als sie hineinschauten, stellten die Forscher fest, dass die Einkristall-Elektrodenbatterie mikroskopisch kleinen Rissen standhielt, die durch wiederholte Ladezyklen verursacht wurden. Diese Rissbildung beeinträchtigt die Fähigkeit normaler Elektrofahrzeugbatterien, die Ladung zu halten.
Vor dem Test sei die am CLS analysierte Batterie aus einkristallinen Elektroden im Labor kontinuierlich aufgeladen und entladen worden, sagte Toby Bond, ein leitender Wissenschaftler am CLS, der die Forschung zusammen mit Jeff Dahn, einem Professor an der Dalhousie University, durchführte.
„Wir haben etwa sechs Jahre lang rund um die Uhr geladen und entladen“, sagte Bond in einem Interview mit CBC News. „Wir haben es hierher gebracht, es uns angesehen und absolut keine Anzeichen einer Verschlechterung festgestellt. Dies geschah nach 20.000 Lade- und Entladezyklen, was einer Fahrt von etwa fünf Millionen Meilen entspricht.“
Der Hauptunterschied zwischen den beiden Batterien liegt in den Elektroden. In einer Standardbatterie bestehen die Elektroden aus Partikeln, die 50-mal kleiner sind als die Breite einer Haarsträhne, die wiederum aus noch kleineren Kristallen bestehen. Die neue Batterie besteht nur aus einem großen Kristall, was bedeutet, dass sie eine solidere Struktur hat und widerstandsfähiger gegen mechanische Beanspruchung ist.
Der Wissenschaftler Toby Bond sagt, dass eine neue Art von Lithium-Ionen-Batteriematerial namens Einkristallelektrode Jahrzehnte halten und in „Second-Life-Anwendungen“ wie der Speicherung von Wind- und Sonnenenergie für das Stromnetz eingesetzt werden könnte.
Dies sei das erste Mal, dass Wissenschaftler eine Einkristall-Elektrodenbatterie analysiert hätten, die so lange ununterbrochen in Betrieb gewesen sei, sagte Bond.
„Wir führen CT-Scans durch, die einer 3D-Röntgenaufnahme ähneln, die man im Krankenhaus machen kann“, sagte Bond. „Wir können dies auf mikroskopischer Ebene mit einer Batterie tun, ohne sie auseinanderzunehmen. … Wir können tatsächlich Merkmale beobachten, die viel kleiner als ein menschliches Haar im Inneren der Batterie sind, ohne sie überhaupt auseinanderzunehmen.“
Hersteller von Elektrofahrzeugen sind an der Entwicklung von Batterien mit längerer Lebensdauer interessiert. Heutige Standardbatterien halten 10 bis 20 Jahre oder 100.000 bis 200.000 Meilen, bevor sie ausgetauscht werden.
Bond sagte, dass der neue Batterietyp die meisten anderen Teile eines Elektrofahrzeugs überdauern kann und dass weniger Batteriewechsel eine Reduzierung des CO2-Fußabdrucks eines Fahrzeugs bedeuten. Es besteht auch Potenzial für sekundäre Nutzungen, beispielsweise für die netzgebundene Speicherung von Wind- und Solarenergie.
Bond sagte, diese neuen Batterien seien bereits in der kommerziellen Produktion und gehe davon aus, dass sie in den kommenden Jahren häufiger eingesetzt werden.
Das Synchrotron nutzt helles Licht, um Forschern dabei zu helfen, in das Innere von Objekten mit einem Detaillierungsgrad zu blicken, der mit einem herkömmlichen Röntgen- oder Hochleistungsmikroskop nicht möglich wäre.
