Mya Le Thais Batterieexperiment mit 200.000 Ladezyklen: Was der Durchbruch an der UCI brachte

Ein dreimonatiges Experiment mit einem außergewöhnlichen Ergebnis

In einem Labor der University of California, Irvine, lud die Doktorandin Mya Le Thai eine experimentelle Elektrode wiederholt auf und entlud sie, bis sie 200.000 Zyklen erreicht hatte. Nach drei Monaten stellten die Forschenden weder einen Kapazitäts- oder Leistungsverlust noch gebrochene Nanodrähte fest. Die UCI gab die Ergebnisse am 20. April 2016 bekannt, als die Studie in ACS Energy Letters veröffentlicht wurde.

Das Material bestand aus Golddrähten im Nanometerbereich, einer Beschichtung aus Mangandioxid und einem plexiglasähnlichen Gelelektrolyten. Seine Haltbarkeit bot eine mögliche Antwort auf ein hartnäckiges Problem: Winzige Drähte, die sich zur Speicherung elektrischer Energie eignen, neigen bei wiederholtem Gebrauch dazu, zu brechen.

Die Entdeckung führte auch zu der verblüffenden Behauptung, ein künftiger Laptop-Akku könnte 400 Jahre halten. Diese Zahl ergibt sich, wenn man die im Experiment erreichte Zahl der Ladezyklen auf Jahre bei einer angenommenen Nutzungsrate umrechnet. Die tatsächliche Leistung war eine Laborelektrode, die während eines dreimonatigen Tests 200.000 Zyklen überstand.

Fast ein Jahrzehnt nach der Bekanntgabe gilt das Ergebnis mit den Nanodrähten weiterhin als Machbarkeitsnachweis im Labor. Thai promovierte später und wechselte in die Forschung an Batterien für den Elektroverkehr. Ihr Experiment zieht weiterhin Aufmerksamkeit auf sich, weil es einen Weg aufzeigt, empfindliche Batteriematerialien trotz wiederholter Nutzung intakt zu halten.

Wie eine dünne Gelschicht das Experiment veränderte

Thai, eine vietnamesisch-amerikanische Forscherin, untersuchte Nanodrähte, als sie versuchsweise eine dünne Gelschicht auf die experimentelle Struktur aufbrachte. Die Elektroden funktionierten weiter, als die Tests zunächst 10.000 und wenige Tage später 30.000 Zyklen überschritten. Schließlich erreichten die Tests 200.000 Zyklen.

Reginald Penner, Erstautor der Studie und damaliger Leiter der Chemieabteilung der UCI, beschrieb die unerwartete Entdeckung in der Mitteilung der Universität vom April 2016.

Mya experimentierte und überzog das Ganze mit einer sehr dünnen Gelschicht. Dann begann sie, es Ladezyklen zu unterziehen“, sagte Penner. „Sie entdeckte, dass sie allein durch die Verwendung dieses Gels Hunderttausende Zyklen erreichen konnte, ohne dass die Kapazität nachließ.

Penner bezeichnete das Ergebnis als überraschend, weil vergleichbare Strukturen gewöhnlich nach 5.000 bis 7.000 Zyklen versagten. Gemessen an diesen Werten erreichte die UCI-Elektrode mit 200.000 Zyklen etwa das 29- bis 40-Fache. Dieser Vergleich beschreibt die Verbesserung gegenüber den von Penner angesprochenen Strukturen.

Zufällig war, dass die Gelbeschichtung funktionierte. Um ihren Nutzen nachzuweisen, waren jedoch ausgedehnte Tests nötig: Thai setzte die Elektrode monatelang Ladezyklen aus und prüfte, ob sich ihre elektrische Leistung oder ihre physische Struktur verschlechterte.

Warum Nanodrähte Schutz brauchen

Nanodrähte sind Tausende Male dünner als ein menschliches Haar. Sie leiten Strom gut und bieten im Verhältnis zu ihrer Größe eine große Oberfläche. Dadurch eignen sie sich als Bausteine für Elektroden, also für jene Teile einer Batterie, in denen durch elektrochemische Reaktionen Ladung gespeichert und wieder abgegeben wird.

Wiederholtes Laden und Entladen belastet diese Strukturen. Die UCI erklärte, dass sich Nanodrähte bei der Verwendung in einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie ausdehnen und spröde werden können. Dadurch können Risse entstehen, die das Material aufbrechen. Es muss jedoch verbunden bleiben, damit die Elektrode wirksam funktioniert.

Die experimentelle Struktur von Thai bestand aus drei Hauptelementen. Ein Golddraht im Nanometerbereich bildete den Kern, Mangandioxid umgab ihn und ein Gelelektrolyt bedeckte die gesamte Anordnung. Ein Elektrolyt ermöglicht es geladenen Teilchen, den sogenannten Ionen, sich durch einen Energiespeicher zu bewegen.

Die Forschenden vermuteten, dass das Gel das Metalloxid plastifizierte. Einfach gesagt könnte es die Beschichtung flexibler gemacht und ihr so ermöglicht haben, Bewegungen ohne Risse auszuhalten. Weil die Struktur intakt blieb, konnte die Elektrode ihre Leistung über wiederholte Zyklen hinweg bewahren.

Nach Angaben der UCI zeigte die getestete Elektrode nach dem dreimonatigen Versuch weder einen feststellbaren Kapazitäts- oder Leistungsverlust noch gebrochene Nanodrähte. Die Kapazität gibt an, wie viel elektrische Ladung ein Gerät speichern kann; die Leistung beschreibt, wie schnell es Energie abgeben kann. Beides ist für eine brauchbare Batterie wichtig.

Was die Leistungswerte bedeuten

Für das Experiment wurde außerdem eine durchschnittliche Coulomb-Effizienz von 94 bis 96 Prozent angegeben. Die Coulomb-Effizienz vergleicht die beim Entladen zurückgewonnene Ladung mit der beim Laden zugeführten Ladung. Ein Wert von 94 Prozent bedeutet, dass von 100 zugeführten Ladungseinheiten etwa 94 zurückgewonnen wurden.

Kapazitätserhalt und Coulomb-Effizienz beschreiben unterschiedliche Aspekte der Leistung. Der Kapazitätserhalt zeigt, ob die speicherbare Ladungsmenge einer Elektrode bei wiederholter Nutzung abnimmt. Die Coulomb-Effizienz erfasst die beim Laden und Entladen fließende Ladung. Eine Elektrode kann ihre Speicherkapazität behalten und dennoch weniger Ladung abgeben, als sie aufnimmt.

Eine 2007 entwickelte Nanobatterie-Konfiguration der Stanford University hatte zuvor 40.000 Zyklen erreicht. Die 200.000 Zyklen der UCI waren fünfmal so viele, auch wenn die Geräte unterschiedlich aufgebaut waren. Bei einem Vergleich der Ergebnisse müssen daher auch Aufbau und Testbedingungen berücksichtigt werden.

Auch der Vergleich mit einem Laptop ist eindrucksvoll. Verglichen mit den häufig genannten 300 bis 500 Zyklen eines typischen Laptop-Akkus sind 200.000 Zyklen 400- bis etwa 667-mal so viele. Diese Zahlen erklären die Begeisterung für das Experiment. Für eine kommerzielle Entwicklung braucht es jedoch eine vollständige Batterie mit geeigneter Kapazität, passenden Materialien, ausreichender Sicherheit und tragbaren Herstellungskosten.

Wie die Schätzung von 400 Jahren zustande kommt

Die Schätzung geht davon aus, dass ein Laptop in zwei Jahren 1.000 Ladezyklen durchläuft, also 500 pro Jahr. Teilt man 200.000 Zyklen durch 500, erhält man 400 Jahre. Jeder Schritt dieser Rechnung ist unkompliziert, doch die Dauer in Kalenderjahren ist eine Hochrechnung auf Grundlage des Laborergebnisses.

Thai erreichte die Zahl der Zyklen, indem sie die Elektrode drei Monate lang ununterbrochen testete. Eine Batterie im Alltag liegt auch teilweise geladen herum, ist wechselnden Temperaturen ausgesetzt und muss mit anderen Komponenten zusammenarbeiten. Ein fertiges Produkt muss unter den Bedingungen getestet werden, denen es im Einsatz ausgesetzt sein wird.

Praktisch geht es darum, die Nutzungsdauer zwischen zwei Austauschvorgängen zu verlängern. Für Laptop-Besitzer könnte das bedeuten, denselben Akku während eines größeren Teils der Nutzungsdauer ihres Computers zu verwenden. Für Fahrzeughersteller könnte es ein Energiespeichersystem bedeuten, das mehr Lade- und Fahrzyklen verkraftet, bevor ein Austausch nötig wird.

Was die Forschenden noch verstehen mussten

In einer Folgemitteilung vom Mai 2016 beschrieb die UCI weitere Arbeiten, mit denen die Mangandioxidbeschichtung besser verstanden werden sollte. Die Forschenden konnten erkennen, dass das Gel das Material daran hinderte, in Stücke zu zerfallen. Wie sich das Material selbst veränderte, untersuchten sie jedoch noch.

Penner erläuterte als Erstautor der Studie und Leiter der Chemieabteilung die nächste wissenschaftliche Aufgabe.

„Mya führt derzeit eine Reihe von Untersuchungen durch, um besser zu verstehen, was mit dem Mangandioxidmaterial geschieht. Wir wissen, dass das Gel verhindert, dass es in Stücke zerfällt. Aber wir wissen nicht, ob das verbleibende Material sich von dem unterscheiden würde, das ohne das Gel übrig bliebe“, sagt Penner.

Den Prozess zu verstehen, ist wichtig, um das Ergebnis reproduzierbar zu machen und auf andere Materialien zu übertragen. Wenn die Forschenden herausfinden, welche Eigenschaften des Gels und der Beschichtung die Elektrode intakt halten, können sie gezielter Strukturen entwickeln, die wiederholtes Laden aushalten.

Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Nanostructures for Electrical Energy Storage Energy Frontier Research Center an der University of Maryland durchgeführt. Die Finanzierung kam von der Abteilung Basic Energy Sciences des US-Energieministeriums.

Von Golddrähten im Nanometerbereich zu praktischen Batterien

Gold ist für die Großserienproduktion zu teuer. Die Forschenden haben günstigere Alternativen untersucht, darunter Nickel, als möglichen Weg zu einem wirtschaftlicheren Design. Beim Austausch des Metalls muss außerdem geprüft werden, ob die daraus entstehende Elektrode genauso haltbar ist wie die ursprüngliche Struktur.

Eine vollständige kommerzielle Batterie muss eine lange Lebensdauer in Ladezyklen mit ausreichend gespeicherter Energie, hoher Leistung, verlässlicher Sicherheit und einem erschwinglichen Herstellungsverfahren verbinden. Das UCI-Ergebnis betraf eine bestimmte Schwachstelle einer experimentellen Elektrode: physische Schäden durch wiederholte Ladezyklen. Um daraus ein Produkt zu machen, müssen auch die anderen Anforderungen erfüllt werden.

Die UCI nannte Computer, Smartphones, Haushaltsgeräte, Autos und Raumfahrzeuge als mögliche Anwendungsgebiete. An Batterien werden dort unterschiedliche Anforderungen gestellt. Ein Smartphone benötigt eine kompakte Energieversorgung; ein Fahrzeug braucht ein viel größeres System, das erhebliche Leistung abgeben kann; Raumfahrzeuge müssen unter anspruchsvollen Bedingungen zuverlässig funktionieren.

Thai wurde später leitende Wissenschaftlerin bei Enevate, einem US-amerikanischen Batterietechnologieunternehmen, und arbeitete dort an fortschrittlichen Batterien für den Elektroverkehr. Außerdem meldete sie Patente für weitere Erfindungen an, darunter eine Technologie, die die Ausbreitung von Wärme zwischen Zellen verzögern soll. Von Wärmedurchgang spricht man, wenn sich die Hitze einer defekten Zelle auf benachbarte Zellen ausbreitet.

In den Berichten über die Arbeit wurde kein Termin für eine Markteinführung der Technologie mit Golddrähten im Nanometerbereich genannt. Thais späterer Werdegang zeigt, dass sie weiter an der Entwicklung von Batterien beteiligt war, auch an Fragen der Haltbarkeit und Sicherheit, die über das ursprüngliche Experiment hinausgehen.

Die Meilensteine der Entdeckung

Die Geschichte umfasst ein früheres Ergebnis mit einer Nanobatterie, monatelange Ladezyklen im Labor und zwei Mitteilungen der UCI aus dem Jahr 2016. Wenn man diese Meilensteine zusammen betrachtet, lassen sich Alter und Umfang der Entdeckung besser einordnen.

• 2007: Eine andere, von Forschenden der Stanford University entwickelte Nanobatterie-Konfiguration erreichte nach damaligen Angaben 40.000 Zyklen.
• Im Verlauf des UCI-Experiments: Thais gelbeschichtete Elektrode überschritt zunächst 10.000 und dann 30.000 Zyklen, bevor sie nach drei Monaten 200.000 erreichte.
• 20. April 2016: Die UCI gab das Ergebnis bekannt; die Erkenntnisse wurden in ACS Energy Letters veröffentlicht.
• 16. Mai 2016: Die UCI veröffentlichte einen Folgebericht über die laufende Forschung dazu, wie das Gel auf das Mangandioxid wirkte.
• Nach ihrer Promotion: Thai wechselte in die industrielle Batterieforschung und wurde leitende Wissenschaftlerin bei Enevate.

Thai beschrieb das Ergebnis mit Blick auf die verbesserte physische Stabilität der Elektrode und die Möglichkeit, haltbare Batterien zu entwickeln. Als die Doktorandin, die die Studie leitete, sagte sie:

Die beschichtete Elektrode behält ihre Form deutlich besser und ist dadurch eine zuverlässigere Option“, sagte Thai. „Diese Forschung zeigt, dass eine Batterieelektrode auf Nanodrahtbasis eine lange Lebensdauer haben kann und dass wir solche Batterien Wirklichkeit werden lassen können.

Wichtige Punkte

• Mya Le Thais Elektrode an der UCI durchlief innerhalb von drei Monaten 200.000 Zyklen, ohne feststellbaren Kapazitäts- oder Leistungsverlust und ohne gebrochene Nanodrähte.
• Der Aufbau kombinierte Golddrähte im Nanometerbereich, Mangandioxid und einen Gelelektrolyten, der nach Ansicht der Forschenden Risse verhindern half.
• Die Ergebnisse wurden am 20. April 2016 in ACS Energy Letters veröffentlicht.
• Die Schätzung von 400 Jahren beruht auf der Annahme von 500 Zyklen pro Jahr; der Labortest dauerte drei Monate.
• Die Goldkosten und die Anforderungen an eine vollständige Batterie bleiben zentrale Herausforderungen für die kommerzielle Entwicklung.
• Thai wurde später leitende Wissenschaftlerin bei Enevate und arbeitete an Batterien für den Elektroverkehr.