Die Welt braucht mehr Strom, am besten in einer sauberen und erneuerbaren Form.Unsere Energiespeicherstrategien werden derzeit von Lithium-Ionen-Batterien geprägt – auf dem neuesten Stand dieser Technologie – aber worauf können wir uns in den kommenden Jahren freuen?
Beginnen wir mit einigen Batterie-Grundlagen.Eine Batterie ist ein Paket aus einer oder mehreren Zellen, von denen jede über eine positive Elektrode (Kathode), eine negative Elektrode (Anode), einen Separator und einen Elektrolyten verfügt.Die Verwendung verschiedener Chemikalien und Materialien für diese beeinflusst die Eigenschaften der Batterie – wie viel Energie sie speichern und abgeben kann, wie viel Strom sie liefern kann oder wie oft sie entladen und wieder aufgeladen werden kann (auch Zyklenkapazität genannt).
Batterieunternehmen experimentieren ständig, um chemische Stoffe zu finden, die billiger, dichter, leichter und leistungsstärker sind.Wir sprachen mit Patrick Bernard – Forschungsdirektor von Saft, der drei neue Batterietechnologien mit transformativem Potenzial erläuterte.
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN DER NEUEN GENERATION
Was ist es?
In Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) erfolgt die Energiespeicherung und -abgabe durch die Bewegung von Lithiumionen von der positiven zur negativen Elektrode hin und her über den Elektrolyten.Bei dieser Technologie fungiert die positive Elektrode als anfängliche Lithiumquelle und die negative Elektrode als Wirt für Lithium.Unter dem Namen Li-Ionen-Batterien werden mehrere Chemien zusammengefasst, die das Ergebnis jahrzehntelanger Auswahl und nahezu perfekter Optimierung positiver und negativer Aktivmaterialien sind.Lithiierte Metalloxide oder Phosphate sind die am häufigsten verwendeten Materialien als gegenwärtige positive Materialien.Als Negativmaterialien kommen Graphit, aber auch Graphit/Silizium oder lithiierte Titanoxide zum Einsatz.
Mit aktuellen Materialien und Zelldesigns wird erwartet, dass die Li-Ionen-Technologie in den nächsten Jahren an ihre Energiegrenze stößt.Nichtsdestotrotz sollten die jüngsten Entdeckungen neuer Familien disruptiver aktiver Materialien die derzeitigen Grenzen aufbrechen.Diese innovativen Verbindungen können mehr Lithium in positiven und negativen Elektroden speichern und ermöglichen erstmals die Kombination von Energie und Leistung.Darüber hinaus wird mit diesen neuen Verbindungen auch der Knappheit und Kritikalität der Rohstoffe Rechnung getragen.
Was sind seine Vorteile?
Unter allen hochmodernen 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 bieten Li-Ionen-Batterien zusätzliche Vorteile wie eine sehr geringe Selbstentladung und eine sehr lange Lebensdauer und Zyklenleistung, 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 eignen sich ideal für den Einsatz in Anwendungen wie Energiespeichersystemenerneuerbare Energienund Transport (Marine, Eisenbahnen,Luftfahrtund Geländemobilität), bei denen hohe Energie, hohe Leistung und Sicherheit erforderlich sind.
LITHIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN
Was ist es?
In Li-Ionen-Batterien werden die Lithiumionen in aktiven Materialien gespeichert, die beim Laden und Entladen als stabile Wirtsstrukturen fungieren.In Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) gibt es keine Wirtsstrukturen.Beim Entladen wird die Lithiumanode verbraucht und Schwefel in verschiedene chemische Verbindungen umgewandelt;Beim Laden erfolgt der umgekehrte Vorgang.
Was sind seine Vorteile?
Eine Li-S-Batterie verwendet sehr leichte Aktivmaterialien: Schwefel in der positiven Elektrode und metallisches Lithium als negative Elektrode.Aus diesem Grund ist seine theoretische Energiedichte außergewöhnlich 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 favorisiert.Dieser technische Weg bringt eine sehr hohe Energiedichte, eine lange Lebensdauer und überwindet die Hauptnachteile des flüssigkeitsbasierten Li-S (begrenzte Lebensdauer, hohe Selbstentladung, …).
Darüber hinaus ergänzt diese Technologie die Festkörper-Lithium-Ionen-Technologie dank ihrer überlegenen gravimetrischen Energiedichte (+30 % in Wh/kg).
Wann können wir damit rechnen?
Große technologische Hürden 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 der Festkörper-Lithium-Ionen-Technologie auf den Markt kommt.
FESTKÖRPERBATTERIEN
Was ist es?
Festkörperbatterien stellen einen technologischen Paradigmenwechsel dar.In modernen Li-Ionen-Batterien bewegen sich Ionen durch den flüssigen Elektrolyten von einer Elektrode zur anderen (auch Ionenleitfähigkeit genannt).Bei Festkörperbatterien wird der flüssige Elektrolyt durch eine feste Verbindung ersetzt, die dennoch die Wanderung von Lithiumionen 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 denen von Flüssigelektrolyten, entdeckt, wodurch diese besondere technologische Hürde überwunden werden konnte.
Heute,SaftDie Forschungs- und Entwicklungsbemühungen konzentrieren sich auf zwei Hauptmaterialtypen: Polymere und anorganische Verbindungen und zielen auf die Synergie der physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Verarbeitbarkeit, Stabilität, Leitfähigkeit … ab.
Was sind seine Vorteile?
Der erste große Vorteil ist eine deutliche Verbesserung der Sicherheit auf Zell- und Batterieebene: Festelektrolyte sind im Gegensatz zu ihren flüssigen Gegenstücken beim Erhitzen nicht brennbar.Zweitens ermöglicht es die Verwendung innovativer Hochspannungsmaterialien mit hoher Kapazität, was dichtere, leichtere Batterien mit besserer Haltbarkeit aufgrund der geringeren Selbstentladung ermöglicht.Darüber hinaus bringt es auf Systemebene zusätzliche Vorteile wie eine vereinfachte Mechanik sowie ein thermisches und Sicherheitsmanagement.
Da die Batterien ein hohes Leistungsgewicht aufweisen können, eignen sie sich möglicherweise ideal für den Einsatz in Elektrofahrzeugen.
Wann können wir damit rechnen?
Mit fortschreitendem technologischen Fortschritt werden voraussichtlich mehrere Arten von Festkörperbatterien auf den Markt kommen.Bei den ersten handelt es sich um Festkörperbatterien mit Anoden auf Graphitbasis, die eine verbesserte Energieleistung und Sicherheit bieten.Mit der Zeit sollten leichtere Festkörperbatterietechnologien mit einer metallischen Lithiumanode kommerziell erhältlich sein.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 03.08.2022