Wir nehmen einen Großteil der Technologie um uns herum als selbstverständlich hin. Zum Beispiel Mikrocomputer für Telefone, die den ganzen Tag ohne Aufladen funktionieren. Aber ich möchte, dass das Telefon 3-4 Tage ohne Aufladen funktioniert. Oder ein Elektroauto, das 1000 Kilometer weit fährt, in wenigen Minuten auflädt ... und weniger kostet als ein Auto mit Benzinmotor. Im Laufe der Jahre wurde viel über Festkörperbatterien gesprochen, aber wie läuft es jetzt? Und wie lange müssen wir noch warten Festkörperbatterien in unseren Geräten landen?
Jüngstes Beispiel ist Toyota, das während der Olympischen Winterspiele ein Auto mit Festkörperbatterie ankündigte. Die Lithium-Ionen-Batterien, die wir heute verwenden, haben, so großartig sie auch sind, bestimmte Nachteile, die Festkörperbatterien zu lösen versuchen.
Beide Arten verwenden Lithium zur Stromerzeugung und ihre allgemeine Struktur ist ziemlich ähnlich. Einfach ausgedrückt, sie haben eine Anode (negative Elektrode), eine Kathode (positive Elektrode) und einen Elektrolyten.
Ihr Hauptunterschied liegt im Zustand des Elektrolyten, der hilft, Ionen während des Ladens von der Kathode zur Anode und umgekehrt während des Entladens zu übertragen. Mit anderen Worten, der Elektrolyt reguliert den Stromfluss zwischen der negativen und der positiven Seite der Batterie. Während Lithium-Ionen-Batterien flüssige Elektrolyte verwenden, verwenden Festkörperbatterien, wie der Name schon sagt, dünne Schichten aus festem Elektrolyt.
Festelektrolyte haben eine Reihe von wesentlichen Vorteilen:
Links sehen wir den Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie, rechts den Aufbau einer Festkörperbatterie.
3. Geringeres Gewicht und geringere Größe: Während die Flüssigkeit im Inneren von Lithium-Ionen-Batterien sie schwerer macht, ermöglicht die kompakte Struktur von Festkörperbatterien eine höhere Energiedichte pro Flächeneinheit, was bedeutet, dass weniger Batterien benötigt werden.
Theoretisch ja, oder zumindest geht es dahin. Tatsächlich investieren bereits viele Autohersteller in diese Technologie, darunter Volkswagen, Toyota, Ford und BMW. In der Praxis werden jedoch Zellen von Festkörperbatterien einzeln in Laboratorien hergestellt und zur Massenproduktion gebracht - eine teure und noch unzureichend entwickelte Aufgabe.
Es ist schwierig, einen Festelektrolyten zu entwickeln, der stabil, chemisch inert und ein guter Ionenleiter zwischen den Elektroden ist. Außerdem sind Elektrolyte zu teuer in der Herstellung und neigen aufgrund ihrer Sprödigkeit zum Reißen, wenn sie während des Gebrauchs expandiert und komprimiert werden. Aber vielleicht wird es passieren, wenn Lithium-Ionen-Batterien allmählich erschwinglicher werden.
In den letzten Jahren wurden viele interessante Studien durchgeführt, die darauf abzielten, dieses Problem zu lösen. MIT-Forscher haben sogenannte gemischte Ionen-Elektronen-Leiter (MIECs) sowie elektronische und Lithium-Ionen-Isolatoren (ELIs) entwickelt. Es ist eine dreidimensionale Zellarchitektur mit nanoskaligen MIEC-Röhren. Die Röhren sind mit Lithium gefüllt, das die Anode bildet. Ein wichtiger Teil dieser Entdeckung ist, dass die Zellstruktur dem Lithium Raum gibt, sich während des Ladens und Entladens auszudehnen und zusammenzuziehen. Dieses „Atmen“ der Batterie verhindert Risse. Die Beschichtung von ELI-Röhren wirkt als Barriere, die sie vor Festelektrolyten schützt. Dies ist die Struktur einer Festkörperbatterie, die uns das Hinzufügen von Flüssigkeiten oder Gelen erspart und es uns daher ermöglicht, Dendriten zu vermeiden.
Eine Firma hat angerufen Ionenspeichersysteme entwickelten einen ultradünnen Keramikelektrolyten mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometern, etwa so dick wie moderne Kunststoffseparatoren, die flüssige Elektrolyte verwenden. Jede Seite des Keramikelektrolyten ist mit einer superdünnen Aluminiumoxidschicht beschichtet, die den Widerstand verringert. Der Batterieprototyp hat eine Energiekapazität von etwa 300 Wh/kg und kann in 5-10 Minuten aufgeladen werden. Zum Vergleich: Moderne NCA-Batterien erreichen eine Energiekapazität von etwa 250 Wh/kg.
Auf der Ausstellung CES In diesem Jahr präsentierte Mecedes das AVTR-Konzeptauto aus umweltfreundlichen Materialien, das auch über eine vollständig recycelbare Batterie verfügt. In einem Interview erklärte Mercedes Senior Battery Research Manager Andreas Hintennach, dass die Batterietechnologie derzeit im Labor getestet wird und in 10-15 Jahren fertig sein wird. CATL (Teslas chinesischer Batteriepartner) hat ebenfalls eine Muster-Solid-State-Batterie entwickelt, aber sie berichteten, dass sie nicht vor 2030 auf den Markt kommen wird.
Eine kontinuierliche Produktion von Festkörperbatterien wird erwartet wird repariert ab 2025, zunächst jedoch nicht in der Automobilindustrie.
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