Sie möchten keine Batterien aus Steinen? Steht uns eine neue Revolution im Bereich der wiederaufladbaren Batterien bevor? Über all das heute.
Überall auf der Welt gibt es seit langem einen Wettlauf um die größtmögliche Effizienz der sogenannten grünen Energie. Erneuerbare Energiequellen, die keine Treibhausgase in die Atmosphäre abgeben, sind die Zukunft unserer Zivilisation, an der niemand zweifelt. Das ist nicht länger nur ein Traum, sondern das Bedürfnis des Tages. Wissenschaftler schlagen immer häufiger Alarm und fordern uns auf, Strom zu sparen und Elektrogeräte so effizient wie möglich zu nutzen.
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Die meisten Geräte laufen mit Batterien bzw Batterien, von alten Walkman-Playern bis hin zu den neuesten Smartphones oder Elektroautos, basierend auf Lithium-Ionen-Technologien (Li-Ion). Sie werden seit vielen Jahren in den meisten Elektrogeräten und technischen Geräten verwendet, obwohl sie nicht sehr energieeffizient und langlebig sind. Darüber hinaus wird ihre Entsorgung mit der Zeit zu einem echten Problem für die ökologische Situation unserer Umwelt.
Lithium-Ionen-Akkus werden fast überall eingesetzt, da sie günstig und leistungsstark sind. Da die Kosten dieser Batterien in den letzten zehn Jahren deutlich gesunken sind, werden sie allein aufgrund ihrer schieren Fülle zur sinnvollsten Alternative für den Langzeitgebrauch. Heutzutage erreichen diese Batterien niedrige Kosten und eine erhöhte Energiedichte, und zwar nicht durch technologische Durchbrüche, sondern durch einfache und beharrliche technische Optimierung von Herstellungsmethoden, Werkzeugen und Effizienz.
Mit der Entwicklung neuer Methoden und Technologien zur Stromerzeugung wächst jedoch die Nachfrage nach effizienten Methoden zur Stromspeicherung. Im Kleinen gibt es damit keine Probleme – die Lösung sind verschiedene Arten von Batterien und Akkus, die ebenso selbstverständlicher Bestandteil der Realität sind wie die Elektrizität selbst.
Sie werden für die Stromversorgung von Telefonen und für verschiedene Arten von Beleuchtung verwendet. Früher wurden sie für die Verwendung von Taschenlampen oder Musikplayern benötigt, obwohl all dies heute in unseren Smartphones enthalten ist. Doch wie speichert man die Energie, die man braucht, um einen ganzen Haushalt mit Strom zu versorgen? Es stellt sich heraus, dass Batterien auch in diesem Fall nützlich sein können. Dabei handelt es sich natürlich nicht um Akkus wie die im Handel erhältlichen beliebten „Finger“, sondern um völlig neue Geräte, die für sich genommen schon eine spannende Ingenieursleistung sind.
Es wird seit langem an der Entwicklung neuer Batterien geforscht, die hinsichtlich Leistung, Kosten und Haltbarkeit mit Lithium-Ionen-Batterien mithalten können.
Viele dieser neuen Technologien sind nicht völlig neu. Im Wesentlichen funktionieren sie ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien, verwenden jedoch andere Materialien. Hier sind einige der interessantesten Beispiele für Technologien, die den Bereich der Energiespeicherung bald revolutionieren könnten.
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Dieser Batterietyp verwendet im Gegensatz zu anderen keine flüssigen oder gelförmigen Elektrolyte, sondern feste Formen. Solche Elektrolyte liegen üblicherweise in Form von Keramik, Glas, Polymeren oder Sulfiten vor. Festkörperbatterien sind effizienter, da sie bei gleichen Abmessungen mehr Energie liefern als ihre Lithium-Ionen-Pendants. Insbesondere im Bereich des Antriebs von Elektrofahrzeugen haben sie großes Potenzial.
Eine Festkörperbatterie hat das Potenzial, die meisten der oben aufgeführten Probleme heutiger Lithium-Ionen-Batterien zu lösen. Eine Festkörperbatterie aus Glas kann durch die Verwendung einer Alkalimetallanode (Lithium, Natrium oder Kalium) eine dreifache Energiedichte aufweisen, was die Energiedichte der Kathode erhöht und für eine lange Lebensdauer sorgt. Ein Festelektrolyt gilt als nicht brennbar oder zumindest beständig gegen Selbstentzündung. Die nicht brennbare Natur von Festkörperbatterien verringert auch das Risiko einer Überhitzung, wodurch die Zellen dichter gepackt werden können, wodurch die Designflexibilität und die Schüttdichte erhöht werden.
Die großen Hoffnungen in diese Batterien hängen mit der Tatsache zusammen, dass sie viel länger halten können. Und das ist in der heutigen Welt ein großes Plus.
Allerdings befinden sich Festkörperbatterien derzeit auf einem niedrigen technologischen Reifegrad und die Grundlagenforschung ist noch im Gange, was zu Unsicherheit und Bedenken hinsichtlich der hohen Produktionskosten und der Skalierbarkeit führt. Die Herausforderung besteht auch darin, Festelektrolyte in einen Prozess einzuführen, der mit modernen Herstellungspraktiken kompatibel ist, die Haltbarkeit oder Kosten des Endprodukts nicht beeinträchtigen und darüber hinaus Vorteile wie eine bessere Energie- und Leistungsdichte, erhöhte Sicherheit usw. bieten sollte. und höherer Durchsatz. .
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Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) (nicht zu verwechseln mit „Lithium-Schwefel“ – diese ewigen Batterien werden von den Streitigkeiten der Ukrainer angetrieben) wurden seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts als wirksames Gerät für entwickelt und erforscht Speicherung von Energie mithilfe reversibler elektrochemischer Reaktionen. Trotz der rasanten Entwicklung und Kommerzialisierung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie (LIB) wurde kein Durchbruch bei der Lösung der kritischen technischen Herausforderungen erzielt, vor denen Lithium-Ionen-Batterien in den kommenden Jahrzehnten stehen. Daher erlangten Li-S-Batterien in den 2000er Jahren aufgrund ihrer Vorteile – niedrige Kosten und hohe theoretische spezifische Energie – wieder großes Interesse bei Entwicklern. Diese Indikatoren sind fast dreimal höher als die Eigenschaften aktueller Lithium-Ionen-Batterien. Die geringen Kosten und der hohe Gehalt an Schwefel (d. h. aktivem Kathodenmaterial) machen Lithium-Schwefel-Batterien attraktiver als Lithium-Ionen-Batterien, da letztere bei der Kathodenproduktion kritische Materialien wie Kobalt und Nickel verwenden.
Und bei Lithium-Schwefel-Batterien besteht die Kathode, eine der beiden Elektroden in der Batterie, aus Schwefel. Dieses Element ist ausgewogener als herkömmliches Nickel und Kobalt. Solche Batterien sind effizienter als Lithium-Ionen-Batterien. Dies kann natürlich zu einer größeren Reichweite der Autos führen, in denen sie eingesetzt werden. Man kann sagen, dass der große Vorteil dieser Batterien darin besteht, dass Schwefel ein kostengünstiger und weit verbreiteter Rohstoff ist. Gleichzeitig ist der Produktionsprozess solcher Batterien dem für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien sehr ähnlich, sodass für deren Herstellung die gleichen Geräte und Produktionskapazitäten genutzt werden können.
Ein weiterer Vorteil dieser Batterietypen ist der um fast 25 % geringere Energiebedarf für ihre Herstellung. All diese Eigenschaften können die Produktion von Lithium-Schwefel-Batterien sehr profitabel machen.
Die Entwicklungen sind bereits in vollem Gange. Das Unternehmen Lyten hat in diesem Bereich besonders große Erfolge erzielt. Es verfügt bereits über eine komplette LytCell EV-Batterieplattform. Das Unternehmen gibt an, dass seine Batterie billiger und sicherer als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien ist und bis Mitte dieses Jahrzehnts in in den USA gebauten Elektrofahrzeugen in Massenproduktion zum Einsatz kommen könnte.
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Dieser Batterietyp basiert auf dem Prozess der Eisenoxidation mithilfe von Luft. Beim Wiederaufladungsprozess werden oxidierte Stoffe in einem Prozess, der als Umkehroxidation bezeichnet wird, wieder in Eisen umgewandelt. Eisen-Luft-Batterien dürften in naher Zukunft weit verbreitet sein, vor allem weil sie eine fast 25-mal längere Energiespeicherung ermöglichen als Lithium-Ionen-Batterien.
Aufgrund der sehr großen Eisen- und Luftreserven wären solche Batterien sicherlich deutlich günstiger. Schätzungen zufolge kann ihr Preis etwa zehnmal niedriger sein als bei herkömmlichen Batterien! Leider haben solche Batterien einen wesentlichen Nachteil: Aufgrund der langsamen Eisenoxidation kann das Aufladen lange dauern.
Das aus dem berühmten Massachusetts Institute of Technology (MIT) hervorgegangene Start-up Form Energy entwickelt erfolgreich Eisen-Luft-Batterien. Form-Energy-Batterien sind laut den Entwicklern zehnmal günstiger als Lithium und sie nutzen Eisen, das auf der Welt reichlich vorhanden ist. Gleichzeitig halten Eisen-Luft-Batterien länger als Lithiumbatterien und sind auch sicherer, da sie nicht brennbar sind.
Der einzige Nachteil besteht derzeit darin, dass sich diese Akkus nur langsam aufladen lassen, was sie beispielsweise für Laptops oder Smartphones weniger sinnvoll macht als Lithium-Akkus. Andererseits sind sie eine hervorragende Lösung für die Energiespeicherung auf der Ebene des nationalen Stromnetzes, da sie eine Energiespeicherung von 100 Stunden bieten können, viel länger als Lithiumbatterien, die bis zu sechs Stunden halten können. Auf diese Weise können sie die Integration großer Solarparks und Windparks erleichtern.
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Ein weiteres interessantes Beispiel für einen neuen Batterietyp sind solche, die Wärme statt Strom speichern. Beispielsweise arbeitet das israelische Unternehmen Brenmiller Energy daran, alternative Materialien wie Steine zur Speicherung thermischer Energie zu nutzen. Seit 2012 nutzt Brenmiller Energy Schotter zunächst zur Erzeugung und dann zur thermischen Energiespeicherung. Solche Technologien wiederum können für verschiedene Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise in der Industrie.
Interessanterweise ist die Idee, Schotter zur Energiespeicherung zu nutzen, nicht ganz neu. Die NASA, die über viele neue Technologien verfügt, testet seit den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts Technologien zur thermischen Energiespeicherung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien erzeugen die Batterien des israelischen Unternehmens mithilfe von Energie Dampf, heißes Wasser oder heiße Luft. Brenmiller Energy sagt, dass seine Anlage namens Tempo bis zu 35 MWh Energie speichern und bis zu 14 Tonnen Dampf pro Stunde produzieren kann.
Dies ist sehr wichtig für die israelische Wirtschaft, wo bis zu 45 Prozent aller energiebedingten Emissionen aus dem industriellen Heizungssektor stammen. Dieses Projekt soll Dampfkessel ersetzen, die mit herkömmlichen fossilen Brennstoffen betrieben werden.
Neue Realitäten erfordern neue Lösungen. Das Aufkommen neuer Batterietypen wird zur Entwicklung von Technologien im Bereich Energieeinsparung beitragen. Vielleicht muss Ihr Laptop oder Smartphone in ein paar Jahren nicht mehr jeden Tag aufgeladen werden, da es mit einer Ladung einen Monat oder vielleicht sogar ein Jahr lang funktioniert. Gleichzeitig spart der neue Batterietyp nicht nur Energie, sondern trägt auch zur Schonung der Umwelt bei.
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