Ohne Batterien könnte man argumentieren, dass die Welt, die wir heute kennen, ein ganz anderer Ort wäre. Und seit über einem Jahrzehnt dominiert eine Form von Batterie den Markt – Lithium-Ionen.
Aber diese Batterien haben einige inhärente Probleme wie eine begrenzte Lebensdauer und sind weit davon entfernt, eine "umweltfreundliche" Lösung für die Stromversorgung tragbarer Geräte zu sein. Da wir immer abhängiger von Dingen wie Smartphones geworden sind, wäre das nicht großartigwenn dieBatterien, die sie mit Strom versorgen, könnten den Test der Zeit halten?
Dort könnte die aufkommende Festkörpertechnologie, ehrlich gesagt, die Welt der Batterien revolutionieren. Dies ist ein spannendes und sich schnell entwickelndes Feld, von dem wir alle hoffentlich in nicht allzu ferner Zukunft profitieren werden.
Was ist eine Festkörperbatterie?
Festkörperbatterien sind, wie der Name schon sagt, Batterien, die sowohl über feste Elektroden als auch über feste Elektrolyte verfügen. Diese Art von Batterien sind eine sich schnell entwickelnde und aufstrebende Technologie, die von vielen als die nächste Generation der Batterietechnologie angepriesen wird.
Viele glauben auch, dass sie Lithium-Ionen-Batterien möglicherweise von ihrer derzeitigen Marktdominanz befreien können.
Festkörperbatterien haben eine vergleichsweise geringe Entflammbarkeit, höhere elektrochemische Stabilität, Kathoden mit höherem Potenzial und eine höhere Energiedichte im Vergleich zu Flüssigelektrolytbatterien.
Diese Funktionen und ihre höhere Leistung, unglaubliche Sicherheit und relativ niedrige Herstellungskosten könnten sich für viele Branchen, die auf Batterietechnologie angewiesen sind, als revolutionär erweisen.
Bis heute gibt es verschiedene vielversprechende Formen von Festkörperbatterien, die sich hauptsächlich aufgrund der Materialien unterscheiden, die zur Herstellung der Anode und Kathode verwendet werden, und der verwendeten Elektrolyte. Oxide, Sulfide, Phosphate, Polyether, Polyester, auf Nitrilbasis, Polysiloxan, Polyurethan usw. sind nur einige der derzeit untersuchten Optionen.
Die meisten Forschungen zu diesem Thema fallen jedoch in eine von zwei Kategorien – anorganische oder organische Festelektrolyte. Erstere, normalerweise in Form von Keramik, eignen sich am besten für starre Batteriesysteme, die rauen Bedingungen standhalten müssenUmgebungsbedingungen — wie hohe Temperaturen, letztere, meist in Form von Polymeren, sind leichter zu verarbeiten und daher billiger, eignen sich aber am besten für flexible Geräte.
Was ist der Unterschied zwischen Festkörperbatterien und Lithium-Ionen-Batterien?
Bevor wir uns damit befassen, was eine Festkörperbatterie ist, lohnt es sich vielleicht, kurz zu besprechen, was eine Lithium-Ionen-Batterie ist und wie sie funktioniert.
Lithium-Ionen-Batterien, wie Sie es heute in vielen Elektronikgeräten finden, bestehen tendenziell aus den folgenden Komponenten:
- Eine Kathode – Dies ist der Teil der Batterie, der positive Ionen Kationen wie Lithium+ speichert und dazu neigt, aus Metalloxiden zu bestehen
- Eine Anode – Diese besteht normalerweise aus Kohlenstoff in Li-on-Batterien und speichert auch Lithium
- Ein Separator – Dieses Material trennt überraschenderweise Anode und Kathode und blockiert auch den Elektronenfluss, lässt jedoch den Durchgang von Ionen zu.
- Ein Elektrolyt — Dies ist die Flüssigkeit, die die beiden Elektroden trennt und die Lithium-Kationen beim Entladen von der Anode zur Kathode trägt und umgekehrt beim Laden.
- Stromabnehmer — Sowohl positiv als auch negativ.
Wenn die Batterie an ein elektronisches Gerät angeschlossen ist, bewegen sich positiv geladene Ionen von der Anode der Batterie in Richtung ihrer Kathode. Dadurch wird die Kathode relativ zur Anode positiver geladen, was wiederum mehr negativ geladene Elektronen an die Kathode zieht.
Der Separator in der Batterie enthält Elektrolyte, die einen Katalysator bilden, um diesen Prozess zu beschleunigen, und der die Bewegung von Ionen und Elektronen in Richtung Anode und Kathode fördert. Dieser Prozess führt zu freien Elektronen in der Anode, die eine Ladung an derpositiver Stromabnehmer der Batterie.
Der elektrische Strom kann dann vom Stromkollektor durch das Gerät und zurück zum negativen Stromkollektor der Batterie fließen.
Beim Aufladen von Lithium-Ionen-Akkus erfolgt der gleiche Vorgang, außer in die entgegengesetzte Richtung, wodurch der Akku zum späteren Entladen wiederhergestellt wird.
Festkörperbatterien hingegen verwenden einen Festelektrolyten, keinen flüssigen. Dieser Festelektrolyt dient auch dazu, als Separator der Batterie zu fungieren.
Der Vorgang ist ansonsten dem von Lithium-Ionen-Batterien sehr ähnlich, variiert jedoch je nach Art der betreffenden Festkörperbatterie z. B. Natrium-Ionen usw..
Alles schön und gut, aber welche Vorteile haben Festkörperbatterien, wenn überhaupt, gegenüber herkömmlichen Batterien wie Lithium-Ionen?
Einer der Hauptvorteile ist die Sicherheit. Flüssige Elektrolyte sind mit einigen inhärenten Problemen verbunden. Bei höheren Strömen neigen dazu, sich kleine Filamente aus Lithiummetall im Elektrolyten zu bilden, was im Laufe der Zeit das Risiko eines Batteriekurzschlusses erhöhen kann. Elektrolyte inmoderne Lithium-Ionen-Akkus neigen leider auch dazu, leicht entzündlich zu sein.
Die Tendenz zur Bildung von Lithiumfilamenten und die inhärente Entflammbarkeit der Elektrolytflüssigkeit erzeugen eine tickende Zeitbombe, die dazu führen kann und hat, dass diese Art von Batterien spontan verbrennt.
Hier bieten Festkörperbatterien ein weitaus höheres Maß an Sicherheit als ihre Lithium-Ionen-Batterie-Alternativen. Der Einsatz von beispielsweise keramischen Elektrolyt-Alternativen ist zum Beispiel weitaus weniger brennbar. Keramische Materialien helfen auch, dies zu verhindernBildung von Lithiumfilamenten, die es theoretisch ermöglichen könnten, dass solche Batterien mit weitaus höheren Strömen betrieben werden als vergleichbare Lithium-Ionen-Batterien.
Keramik ist jedoch auch sehr spröde, was während des Betriebs und der Herstellung problematisch sein kann. Es stehen Lösungen zur Umgehung dieses Problems zur Verfügung, einschließlich Keramik imprägnieren mit Graphen-Nanopartikeln.
Dies erhöht nicht nur die Haltbarkeit von Keramikelektrolyten, sondern trägt auch dazu bei, ihre Ionenleitfähigkeit zu erhalten. Denken Sie daran, dass die besten Elektrolyte Ionen und keinen Strom leiten.
Experimente in diesem Bereich, die von Teams wie denen von durchgeführt werdenDie Brown University hat gezeigt, dass diese Lösung die Zähigkeit des keramischen Elektrolyten mehr als verdoppeln kann, während sie gleichzeitig ihren Nutzen als potenzieller Festkörperbatterieelektrolyt und Separator behält.
Andere Optionen umfassen die Verwendung organischer Kathoden in Kombination mit Festkörper-Natrium-Ionen-Batterien. Dies ist interessant, da bestehenden Natrium-Ionen-Batterien, während Festkörper-Batterien tendenziell die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien nicht aufweisen.
Ein weiteres Problem bei dieser Art von Festkörperbatterie besteht darin, dass sich auf der Kathode eine Schicht inaktiver Natriumkristalle bildet, die die Bewegung von Natriumionen blockiert und die Batterie effektiv abtötet.
Bei Verwendung einer Kathode aus Pyren-4,5,9,10-tetraon PTO, a Forschungsteam der University of Houston fand heraus, dass diese Art von Kathode viele Vorteile gegenüber anorganischen, traditionelleren Kathoden bietet. Zum Beispiel ermöglicht die Verwendung von PTO, dass die Widerstandsgrenzfläche zwischen der Kathode und dem Elektrolyten tatsächlich umgekehrt wird. Dies hat große Auswirkungen auf die Stabilität und erhöhtLebensdauer solcher Batterien bei gleichzeitiger Verbesserung der Energiedichte.
Durch die Ermöglichung eines engen Kontakts zwischen einer starren Kathode und einem Festelektrolyten, unabhängig von der Durchmesseränderung der Kathode während des Batteriezyklus, könnte sich dies als bahnbrechend für Festkörperbatterien erweisen.
Aber vernachlässigen Sie Natrium-Ionen-Festkörperbatterien noch nicht. Andere Forschungsteams arbeiten daran, die inhärenten Probleme dieser Technologie zu umgehen. Ein Team aus Washington State University WSU und das Pacific Northwest National Laboratory PNNL haben einen Weg gefunden, die Ansammlung von inaktivem Natrium an Kathoden zu verhindern.
Sie fanden heraus, dass die Herstellung einer mit zusätzlichen Natriumionen imprägnierten Metalloxidkathode eine ungehinderte Stromerzeugung ermöglicht. Dies könnte sich als revolutionär erweisen, da es die Herstellung von Natriumionenbatterien auf Augenhöhe mit Lithium-Ionen-Alternativen ermöglichen würde.
Tatsächlich behielt diese Lösung nach mehr als 1.000 Aufladezyklen etwa 80% ihrer Energiedichte bei.
Während viele Festkörperbatterien, wie bereits erwähnt, als bessere Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien gelten, könnte ein Kompromiss in Sicht sein — Festkörper-Lithium-Batterien. Ein Forschungsteam der University of Michigan arbeitet genau daran.
Sie haben es geschafft, feste Keramikelektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien zu integrieren und eine deutliche Verbesserung der Haltbarkeit und Lebensdauer gegenüber herkömmlichen Li-Ionen-Batterien gezeigt. Dieser Ansatz konnte auch die Laderaten der Batterien erhöhen.
Andere Forscher haben auch Durchbrüche in der Produktion erzielt3D-druckbare Festkörper-Lithiumbatterien. Bei einer Skalierung auf die Produktion könnte diese Innovation eine viel billigere und weniger verschwenderische Produktion von Lithium-Ionen-basierten Batterien ermöglichen, die zufällig auch die Vorteile anderer SSD-Batterien haben wie Sicherheit, erhöhte Energiedichte usw..
Alles schön und gut, aber diese Batterien basieren immer noch auf Lithium-Ionen – die selten und nicht die saubersten Materialien zum Abbau und Veredeln sind. Dies ist ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen Lithium-Ionen-Batterien und ihren Festkörper-Alternativen – ihrer inhärenten Auswirkungauf die Umwelt. Lithium-Ionen-Batterien benötigen einige ziemlich giftige Komponenten, nämlich Kobalt und natürlich Lithium.
Diese Materialien sind relativ selten, sind teuer in der Gewinnung und Veredelung und werden allzu oft aus Minen in armen Ländern oder Regionen gewonnen, in denen das Wohlergehen der Arbeiter oder der Umwelt wenig oder gar nicht berücksichtigt wird.
Wie wir in einem früheren Artikel über die untersucht habenDie schmutzigen Geheimnisse der Elektroautoindustrie, auch die Lithiumgewinnung verbraucht sowohl beim Extraktionsprozess als auch in den massiven Verdunstungsbecken, die zur Herstellung der lithiumreichen Kristalle verwendet werden, enorme Mengen an Wasser. Dieser Abbau und die Verarbeitung sind hochgefährliche Arbeit und außerdem extrem verheerend für die UmgebungÖkosysteme.
Ähnliches gilt für Kobalt, das oft aus sogenannten "handwerklichen Minen" gewonnen wird. Diese kleinen Minen beinhalten oft den Einsatz von Kinderarbeit unter entsetzlichen Arbeitsbedingungen, die auch viele unangenehme Luftschadstoffe wie Uran produzierenda große Mengen Schwefel in den Wasserkreislauf freigesetzt werden.
Festkörperbatterien hingegen neigen dazu, häufigere und weniger giftige Bestandteile wie Natrium zu verwenden.Im Salzwasser im Überfluss zu finden, Natriumextraktion ist weit weniger umweltschädlich.
Das ist, wenn die Technologie verfeinert werden kann, um kostenmäßig und Pfund für Pfund mit Lithium-Ionen-Batterien zu konkurrieren.
Was sind die Vorteile von Festkörperbatterien?
Wir haben bereits einige der Schlüssel berührtVorteile von Festkörperbatterienoben, aber was sind einige der anderen wichtigen Vorteile der Technologie?
- Schnelleres Laden - Zum einen bieten Festkörperbatterien in der Regel eine viel schnellere Laderate. Je nach Technologie können einige bis zu sechsmal schneller geladen werden als Lithium-Ionen-Akkus. Tatsächlich, wennDie Erforschung von Quanten-SSDs erweist sich schließlich als erfolgreich, möglicherweise ist dies möglich Festkörperbatterien fast augenblicklich laden.
- Höhere Energiedichte – Ein weiterer potenzieller Vorteil von Festkörperbatterien ist eine deutlich erhöhte Energiedichte. Bei einigen Lösungen kann diese bei gleichem Volumen bis zu doppelt so hoch sein wie bei Lithium-Ionen-Batterien.
- Deutlich verlängerte Lebensdauer - Einer der Hauptvorteile von Festkörperbatterien ist ihr Potenzial für eine längere Lade-Entlade-Auflade-Lebensdauer. Diese kann bis zu zehn Jahre betragen, verglichen mit den bescheideneren zwei Jahren für traditionellere Alternativen.
- Reduzierte Leckraten Selbstentladung - Ein weiterer potenzieller Vorteil für Festkörperbatterien ist ihr geringerer Leckstrom.
- Sie können kleiner und billiger gemacht werden theoretisch – Festkörperbatterien können kleiner sein als ihre vergleichbaren Lithium-Ionen-Alternativen.
- Sicherheit - Der Hauptvorteil von Festkörperbatterien ist zweifellos ihre relative Sicherheit. Sie produzieren auch kein Wasserstoffgas.
Was sind die Einsatzmöglichkeiten von Festkörperbatterien?
Eine der Hauptanwendungen für erfolgreiche Festkörperbatterien wird in der EV-Industrie liegen. Festkörperbatterien bieten im Vergleich zu Flüssigbatterien potenziell ein geringeres Gewicht, eine höhere Zuverlässigkeit, Reichweite, Sicherheit und eine reduzierte Aufladerate. Zusammengenommen ergeben diese Vorteilewürde die EV-Branche effektiv revolutionieren.
Mit erwarteten EV-Verkäufenbis zu 32% erreichen des gesamten Automobilmarktes bis 2030 wird das Streben um einen Ausdruck zu leihen nach effizienteren, zuverlässigeren und langlebigeren Batterien schnell wachsen. Dies wird eine enorme Nachfrage nach Lithiumlieferungen auf der ganzen Welt mit sich bringen, die wahrscheinlichdie Kosten für die zukünftige Herstellung neuer Batterien aufblähen es sei denn, dies ist auf sichere Weise möglichzuverlässiges Recycling alter Li-on-Akkus wird entwickelt.
Um diesen potenziellen Engpass bei der Batterieversorgung zu überwinden, suchen viele Automobilunternehmen nach billigeren, nachhaltigeren Alternativen – wie Festkörperbatterien.
Zum Beispiel hat Toyota kürzlich angekündigt, dass sie planen, ihre neuen Fahrzeuge bereits in diesem Jahr mit Festkörperbatterien auszustatten. Laut einem Bericht von Nikkei AsienDies könnte es ihren Elektrofahrzeugen ermöglichen, eine Reichweite von 310 Meilen 500 km mit einer einzigen Ladung zusammen mit einer schnellen Aufladung von Null auf Voll in 10 Minuten zu bieten.
Andere Optionen für die Elektro- und Solarindustrie umfassen die Verwendung eines Hybrids zwischen herkömmlichen und Festkörperbatterien. Ein bemerkenswertes Beispiel sind salzbasierte Batterien. Eine Art Quasi-Festkörperbatterie QSS, diese experimentellen BatterienVerwenden Sie Salze als Elektrolyt und Separator der Batterie.
Diese Lösung ist interessant, da sie potenziell sehr sicher, "grün", erschwinglich und vollständig recycelbar ist.Ein Verbundforschungsprojekt zwischen der University of Nottingham, UK, und sechs Forschungseinrichtungen in China haben kürzlich einen Durchbruch in diesem Bereich angekündigt.
Aufbauend auf Tests mit hitzeaktivierten geschmolzenen Salzen verbesserte das Team das Design, indem stattdessen feste Salze verwendet wurden. Diese Änderung war das Ergebnis ihrer früheren Erkenntnisse, dass geschmolzene Salze stark korrosiv, flüchtig und anfällig für Verdampfung und Leckage sind.
Durch die Umwandlung der flüssigen Salze in weiche feste Salze in Gegenwart von Festoxid-Nanopulvern ermöglichte ihr QSS-Elektrolyt den neuen Batterien, bei Temperaturen über zu arbeiten.800 °C 1472 °F – ungefähr die Temperatur eines typischen Motorabgases.
Wenn sich ihre Forschung als fruchtbar erweist, könnte sie zu einer neuartigen und interessanten Lösung für sicherere und effizientere Batteriespeicherlösungen für Solarkraftwerke und die Automobilindustrie führen.
Und das ist ein Wrap.
Da viele Experten glauben, dass wir uns dem Beginn der Massenaufnahme von Elektrofahrzeugen auf der ganzen Welt nähern, könnte es jetzt an der Zeit sein, dass Festkörperbatterien glänzen. Welche Arten von Festkörperbatterien die Führung übernehmen werden, ist unklar, aber die Zukunft von futurebatteriebetriebene Geräte könnten am Rande einer dringend benötigten Revolution stehen.
Achten Sie auf diesen Raum.