Die Welt braucht mehr Energie, am besten in sauberer und erneuerbarer Form.Unsere Energiespeicherstrategien werden derzeit von Lithium-Ionen-Batterien geprägt – an der Spitze dieser Technologie – aber worauf können wir uns in den kommenden Jahren freuen?
Beginnen wir mit einigen Batteriegrundlagen.Eine Batterie ist ein Paket aus einer oder mehreren Zellen, von denen jede eine positive Elektrode (die Kathode), eine negative Elektrode (die Anode), einen Separator und einen Elektrolyten hat.Die Verwendung verschiedener Chemikalien und Materialien für diese beeinflusst die Eigenschaften der Batterie – wie viel Energie sie speichern und abgeben kann, wie viel Leistung sie liefern kann oder wie oft sie entladen und wieder aufgeladen werden kann (auch Zyklenkapazität genannt).
Batteriehersteller experimentieren ständig, um Chemikalien zu finden, die billiger, dichter, leichter und leistungsfähiger sind.Wir sprachen mit Patrick Bernard – Saft Research Director, der drei neue Batterietechnologien mit transformativem Potenzial erläuterte.
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN DER NEUEN GENERATION
Was ist es?
In Lithium-Ionen (Li-Ion)-Batterien erfolgt die Energiespeicherung und -freisetzung durch die Hin- und Herbewegung von Lithium-Ionen von der positiven zur negativen Elektrode über den Elektrolyten.Bei dieser Technologie fungiert die positive Elektrode als anfängliche Lithiumquelle und die negative Elektrode als Wirt für Lithium.Als Ergebnis jahrzehntelanger Auswahl und Optimierung von positiven und negativen aktiven Materialien nahe der Perfektion werden unter dem Namen Li-Ionen-Batterien mehrere chemische Eigenschaften zusammengefasst.Lithiierte Metalloxide oder -phosphate sind die am häufigsten verwendeten Materialien als vorliegende positive Materialien.Als Negativmaterialien werden Graphit, aber auch Graphit/Silizium oder lithiierte Titanoxide verwendet.
Mit aktuellen Materialien und Zelldesigns wird erwartet, dass die Li-Ionen-Technologie in den nächsten kommenden Jahren eine Energiegrenze erreichen wird.Dennoch sollten die jüngsten Entdeckungen neuer Familien disruptiver aktiver Materialien die gegenwärtigen Grenzen freisetzen.Diese innovativen Verbindungen können mehr Lithium in positiven und negativen Elektroden speichern und ermöglichen erstmals die Kombination von Energie und Leistung.Zudem wird bei diesen neuen Compounds auch der Knappheit und Kritikalität von Rohstoffen Rechnung getragen.
Was sind seine Vorteile?
Unter allen modernen Speichertechnologien ermöglicht die Li-Ionen-Batterietechnologie heute die höchste Energiedichte.Leistungen wie Schnellladung oder Temperaturbetriebsfenster (-50 °C bis 125 °C) können durch die große Auswahl an Zelldesign und Chemie fein abgestimmt werden.Darüber hinaus weisen Li-Ionen-Batterien zusätzliche Vorteile auf, wie z. B. eine sehr geringe Selbstentladung und eine sehr lange Lebensdauer und Zyklenfestigkeit, typischerweise Tausende von Lade-/Entladezyklen.
Wann können wir damit rechnen?
Es wird erwartet, dass eine neue Generation fortschrittlicher Li-Ionen-Batterien vor der ersten Generation von Festkörperbatterien eingesetzt wird.Sie sind ideal für den Einsatz in Anwendungen wie Energiespeichersystemen fürErneuerbareund Transport (Marine, Eisenbahnen,Luftfahrtund Offroad-Mobilität), wo hohe Energie, hohe Leistung und Sicherheit obligatorisch sind.
LITHIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN
Was ist es?
In Li-Ionen-Batterien werden die Lithium-Ionen in aktiven Materialien gespeichert, die beim Laden und Entladen als stabile Wirtsstrukturen fungieren.In Lithium-Schwefel (Li-S)-Batterien gibt es keine Wirtsstrukturen.Beim Entladen wird die Lithiumanode verbraucht und Schwefel in eine Vielzahl chemischer Verbindungen umgewandelt;Beim Laden findet der umgekehrte Vorgang statt.
Was sind seine Vorteile?
Eine Li-S-Batterie verwendet sehr leichte aktive Materialien: Schwefel in der positiven Elektrode und metallisches Lithium als negative Elektrode.Deshalb ist seine theoretische Energiedichte außerordentlich hoch: viermal höher als die von Lithium-Ionen.Damit eignet es sich gut für die Luft- und Raumfahrtindustrie.
Saft hat die vielversprechendste Li-S-Technologie auf Basis von Festkörperelektrolyten ausgewählt und bevorzugt.Dieser technische Weg bringt eine sehr hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und überwindet die Hauptnachteile des flüssigen Li-S (begrenzte Lebensdauer, hohe Selbstentladung, …).
Darüber hinaus ergänzt diese Technologie Festkörper-Lithium-Ionen dank ihrer überlegenen gravimetrischen Energiedichte (+30 % in Wh/kg).
Wann können wir damit rechnen?
Große technologische Barrieren wurden bereits überwunden und der Reifegrad schreitet sehr schnell in Richtung Prototypen in Originalgröße voran.
Für Anwendungen, die eine lange Batterielebensdauer erfordern, wird erwartet, dass diese Technologie kurz nach Festkörper-Lithium-Ionen auf den Markt kommt.
Festkörperbatterien
Was ist es?
Festkörperbatterien stellen technologisch einen Paradigmenwechsel dar.In modernen Lithium-Ionen-Batterien bewegen sich Ionen durch den flüssigen Elektrolyten von einer Elektrode zur anderen (auch Ionenleitfähigkeit genannt).Bei All-Solid-State-Batterien wird der flüssige Elektrolyt durch eine feste Verbindung ersetzt, die dennoch die Migration von Lithium-Ionen ermöglicht.Dieses Konzept ist alles andere als neu, aber in den letzten 10 Jahren wurden – dank intensiver weltweiter Forschung – neue Familien von Festelektrolyten mit sehr hoher Ionenleitfähigkeit, ähnlich wie Flüssigelektrolyte, entdeckt, wodurch diese besondere technologische Barriere überwunden werden konnte.
Heute,SaftDie Forschungs- und Entwicklungsbemühungen konzentrieren sich auf 2 Hauptmaterialtypen: Polymere und anorganische Verbindungen, mit dem Ziel, die Synergie der physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Verarbeitbarkeit, Stabilität, Leitfähigkeit …
Was sind seine Vorteile?
Der erste große Vorteil ist eine deutlich verbesserte Sicherheit auf Zell- und Batterieebene: Festelektrolyte sind im Gegensatz zu ihren flüssigen Pendants beim Erhitzen nicht brennbar.Zweitens ermöglicht es die Verwendung innovativer Hochspannungsmaterialien mit hoher Kapazität, was dichtere, leichtere Batterien mit besserer Lagerfähigkeit als Ergebnis einer reduzierten Selbstentladung ermöglicht.Darüber hinaus bringt es auf Systemebene zusätzliche Vorteile wie vereinfachte Mechanik sowie Wärme- und Sicherheitsmanagement.
Da die Batterien ein hohes Leistungsgewicht aufweisen können, können sie ideal für den Einsatz in Elektrofahrzeugen sein.
Wann können wir damit rechnen?
Im Zuge des technologischen Fortschritts werden wahrscheinlich mehrere Arten von Festkörperbatterien auf den Markt kommen.Die erste wird Festkörperbatterien mit Anoden auf Graphitbasis sein, die eine verbesserte Energieeffizienz und Sicherheit bringen.Mit der Zeit sollten leichtere Festkörperbatterietechnologien, die eine metallische Lithiumanode verwenden, kommerziell verfügbar werden.
Postzeit: 03.08.2022