de.wedoany.com-Bericht: Ein Forscherteam der University of California San Diego hat mit Hilfe des Expanse-Supercomputers am San Diego Supercomputer Center Fortschritte bei der Erforschung von Kathodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien erzielt. Durch die Zugabe winziger Mengen von Lithium und Titan zu bestehenden Natrium-basierten Materialien konnten die Forscher die Energiespeicherfähigkeit und die Zyklenstabilität der Batterien verbessern.
Aktuelle Netzstromspeicher und Elektrofahrzeuge sind hauptsächlich auf Lithium-Ionen-Batterien angewiesen, doch Lithium ist relativ teuer und global ungleich verteilt. Im Gegensatz dazu sind Natrium-Ressourcen reichlich vorhanden und kostengünstiger, was Natrium-basierte Batterien zu einer Alternativlösung für die Speicherung von Solarstrom und Windenergie macht. Die technische Herausforderung besteht darin, die Batterien so zu verbessern, dass sie ausreichend Strom liefern und gleichzeitig zahlreiche Lade- und Entladezyklen überstehen.
Professorin Shirley Meng, Leiterin des Labors für Energiespeicherung und -umwandlung an der Jacobs School of Engineering der UC San Diego, erklärte: „Diese kleinen Veränderungen haben sich als entscheidend erwiesen: Das verbesserte Material kann mehr Energie speichern und bleibt selbst dann stabil, wenn die Batterie auf höhere Spannungen gebracht wird – eine Schlüsselanforderung, um mehr Energie aus jeder Ladung zu gewinnen.“ In Labortests behielten die verbesserten Kathoden auch nach vielen Zyklen einen großen Teil ihrer Kapazität, selbst unter hohen Spannungsbedingungen zeigte sich eine stabile Leistung.
Um zu verstehen, warum die winzigen Zugaben solche signifikanten Effekte erzielen, führte das Forschungsteam groß angelegte Simulationen der Bewegung von Natrium-Ionen in der Kristallstruktur des Materials durch. Diese Simulationen nutzten die Rechenressourcen des Expanse-Supercomputers und des ACCESS-Programms der US-amerikanischen National Science Foundation. Die Simulationen verwendeten ein auf künstlicher Intelligenz basierendes Fundamentalkraft-Modell, das Atomberechnungen zu geringeren Kosten als herkömmliche Rechenmethoden durchführen kann. Die digitale Modellierung zeigte, dass die Zugabe von Lithium und Titan den Natrium-Ionen hilft, sich freier zu bewegen, während gleichzeitig das Kristallgerüst vor dem Zusammenbruch durch wiederholte Nutzung geschützt wird.
Professor Shyue Ping Ong von der UC San Diego sagte: „Indem wir auf Expanse vielversprechende Designvorschläge vorfiltern, bevor wir ins Labor gehen, sind wir viel schneller als mit einem reinen Trial-and-Error-Ansatz. Die Forschungsergebnisse zeigen einen gangbaren Weg zur Verbesserung von Natrium-Ionen-Batterien auf, der es praktikabler macht, große Batteriespeicherparks zu bauen, um erneuerbare Energie auch dann freizusetzen, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht.“
Die Studie demonstriert den Nutzen von Supercomputern bei der Entwicklung von Energiespeichermaterialien. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht.
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