Nanotechnologie ist die Wissenschaft im Nanobereich, die auf der atomaren oder molekularen Ebene der Materie arbeitet. Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters - für das Auge unsichtbar. Die Nanotechnologie wird für Innovationen in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter Medizin, Umwelt, Technologie und Energiespeicherung. Das Konzept der Nanowissenschaft entstand 1959, als der Physiker Richard Feynman über die Manipulation und Kontrolle einzelner Atome und Moleküle sprach. Das Gebiet, wie wir es heute kennen, begann 1981, als das Rastertunnelmikroskop entwickelt wurde, das es Wissenschaftlern ermöglichte, einzelne Atome zu sehen und mit der Forschung auf der Nanoskala zu beginnen. In der Batterieindustrie arbeiten viele Unternehmen daran, die Nanotechnologie in Batterien und Batterieproduktionsprozesse einzubauen, in der Hoffnung, den Materialabbau sowie die Leistung und Kapazität der Batterien zu verbessern.
Wie verbessert die Nanotechnologie den Materialabbau?
Lithium ist derzeit das begehrteste Material, das für Batterien benötigt wird. Mit dem kontinuierlichen Wachstum der tragbaren Technologie und der Elektrofahrzeuge sowie dem steigenden Bedarf an Energiespeicherung sagen Analysten voraus, dass die Nachfrage nach Lithium bis 2029 verzehnfachen. 70% des Lithiums werden durch Solegewinnung gewonnen, bei der salzhaltiges Wasser in eine Reihe von Verdunstungsbecken gepumpt wird. Das Wasser verdunstet und reines Lithium wird schließlich aus den Teichen extrahiert. Dieses Verfahren ist jedoch nicht nur wasserintensiv und beeinträchtigt die Wasserversorgung der Anwohner und Landwirte, sondern es werden auch nur 30 bis 50% des verfügbaren Lithiums gewonnen.
Ein Unternehmen arbeitet an der Nutzung der Nanotechnologie, um die Effizienz dieses Prozesses zu verbessern. EnergyX setzt eine Nanotechnologie namens Metal Organic Framework (MOF) ein, um Lithium von den anderen Materialien trennen im Wasser. Ein MOF ist ein poröses Material, das aus Metallionen und organischen Liganden besteht, die eine käfigartige Struktur bilden. Sie können wie ein Sieb wirken, um Materialien zu trennen, und genau das macht sich EnergyX zunutze. Die kleinen Poren des MOF lassen Lithium durch, halten aber andere Ionen wie Magnesium oder Kalzium zurück, so dass eine effizientere Lithiumgewinnung möglich ist. Das Unternehmen hat seine Technologie so konzipiert, dass sie in das derzeitige System der Solebecken integriert werden kann, um den Gewinnungsprozess zu optimieren. Die Schaffung effizienterer, nachhaltigerer und umweltfreundlicherer Abbauverfahren kann eine große Hilfe bei der Deckung des Bedarfs an Lithium und anderen Batteriematerialien sein.
Wie verbessert die Nanotechnologie Batterien?
Derzeit gibt es zahlreiche Projekte, bei denen die Nanotechnologie zur Entwicklung besserer Batterien eingesetzt wird. Diese reichen von der Vergrößerung der Elektrodenoberfläche zur Erhöhung der Kapazität bis zur Verbesserung der Sicherheit und Stabilität der Batterie.
Das Unternehmen für fortgeschrittene Werkstoffe TruSpin Nanomaterial Innovation nutzt die Silizium-Nanofasern um die Energiekapazität von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. Silizium wird seit langem wegen seiner hohen Ionenkapazität als Batterieanode bevorzugt. Da es jedoch dazu neigt, sich während der Lade-/Entladezyklen auszudehnen und zu zerbrechen, haben die Hersteller Schwierigkeiten, es in eine Batterie einzubauen. Die Nanotechnologie kann helfen, dieses Problem zu lösen. Durch die Verwendung von Nanofasern ist TruSpin in der Lage, diese Ausdehnungsprobleme zu umgehen und den Herstellungsprozess hochgradig skalierbar und kosteneffizient zu gestalten.
Amprius ist ein weiteres Unternehmen, das die Nanotechnologie nutzt, um Silizium für Batterien besser nutzbar zu machen. Sie entwarfen eiförmige Kapseln um das Silizium davor zu schützen, negativ mit dem Elektrolyten zu reagieren, was dazu führt, dass die Anode eine nicht leitende Feststoff-Elektrolyt-Zwischenschicht bildet und die Kapazität verringert. Außerdem bietet die Struktur dem Silizium Raum, sich sicher auszudehnen und zusammenzuziehen. In ihrem Entwurf ist ein Silizium-Nanopartikel von einer hoch leitfähigen Kohlenstoffhülle umgeben, durch die Lithiumionen hindurchtreten können. Mit dieser Konfiguration konnte das Team feststellen, dass die Anode nach 1000 Lade-/Entladezyklen noch 74% ihrer Kapazität behielt.
Reines Lithiummetall ist ebenfalls ein sehr beliebtes Batteriematerial. Da es jedoch sehr reaktiv ist, Dendriten neigen dazu, sich auf der Oberfläche der Anode zu bilden und verzweigungsartige Strukturen zu bilden, die die Batterie durchbohren und beschädigen können. Um dem entgegenzuwirken, nutzten die Wissenschaftler der Rice University die Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Film zur Beschichtung der Lithium-Metall-Folie. Die Beschichtung hält Li-Ionen davon ab, sich an der Lithium-Metall-Anode festzusetzen und verhindert das Wachstum von Dendriten.
Trotz ihrer winzigen Größe hat die Nanotechnologie das Potenzial, in der Batterieentwicklung, -forschung und -herstellung große Wellen zu schlagen. Gute, hohe Qualität Batterietestgeräte ermöglicht es den Forschern, Muster und Lücken in der Leistung einer Batterie zu erkennen und Bereiche zu entdecken, die mit Hilfe der Nanotechnologie möglicherweise geschlossen werden können.
