Kontaktiere uns
Tel .: + 86-755-25629920
Fax: + 86-755-25629925
Mob: +8613828897550
E-Mail: sales@himaxelectronics.com
Adresse: Gebäude C, Huaming Industriepark, Huaming Road, Dalang, Longhua, Shenzhen China
Startseite > Wissen > Inhalt
Zukünftige Batterien
Sep 13, 2018

Erfahren Sie mehr über aufstrebende Batterien und was sie vorerst im Labor hält.

 

Experimentelle Batterien leben meist in geschützten Labors und kommunizieren nach außen mit viel versprechenden Berichten, oft um Investoren zu locken. Einige Designs zeigen unrealistische Ergebnisse mit erwarteten Veröffentlichungsterminen, die sich mit der Zeit ändern. Die meisten Konzepte verschwinden aus der Batterieszene und sterben anmutig im Labor, ohne dass jemand von ihrem Tod erfährt.

 

Wenige andere Produkte haben ähnliche strenge Anforderungen wie die Batterie, und die Komplexität verwirrt Risikokapitalgeber, die während der Dot-Com-Ära gut abgeschnitten haben und in nur 3 Jahren ähnliche großzügige Renditen ihrer Investition erwarten; Die Entwicklung der Batterie dauert in der Regel 10 Jahre. Die meisten Risikokapitalgeber haben nicht die Geduld zu warten, und sie ziehen das Geld zurück und lassen den Entwickler in tiefem Wasser. Die Kapitalbeschaffung ist zeitaufwendig und viele Startups widmen dieser Aufgabe so viel Zeit und Energie wie der Forschung.

 

Die meisten experimentellen Batterien in der Lithium-Familie haben eines gemeinsam; Sie verwenden eine metallische Lithiumanode, um eine höhere spezifische Energie zu erreichen als mit der oxidierten Kathode in Lithium-Ionen, der heute üblichen Batterie.

 

Moli Energy war das erste Unternehmen, das in den 1980er Jahren eine wiederaufladbare Li-Metall-Batterie in Serie produzierte. Dies stellte jedoch ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar, da das Wachstum von Lithiumdendriten elektrische Kurzschlüsse verursachte, die zu thermischen Instabilitäten führten. Die örtliche Feuerwehr wusste genau, wo im Moli-Werk ein Feueralarm ausgelöst werden musste. es war das Batterielager. Nachdem eine Belüftungsveranstaltung einen Batteriebenutzer verletzt hatte, wurden 1989 alle Lithium-Metall-Packs zurückgerufen. NEC und Tadiran versuchten, das Design mit begrenztem Erfolg zu verbessern. Sehr wenige Unternehmen stellen wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterien her und die meisten bieten nur die Primärversionen an. Die Forschung geht weiter und eine mögliche Lösung mit neuen Materialien als Teil des Festkörperlithiums könnte vorliegen. Dieser Entwurf wird weiter in diesem Abschnitt beschrieben.

 

Forscher haben auch eine Anodenstruktur für Li-Ionen-Batterien entwickelt, die auf Silizium-Kohlenstoff-Nanokompositmaterialien basiert. Eine Siliziumanode könnte theoretisch die zehnfache Energie einer Graphitanode speichern, aber Expansionen und Schrumpfung während des Ladens und Entladens machen das System instabil. Das Hinzufügen von Graphit zu der Anode soll eine theoretische Kapazität erreichen, die das fünffache derjenigen eines regulären Li-Ions mit stabiler Leistung ist, jedoch wäre die Zykluslebensdauer aufgrund struktureller Probleme beim Einsetzen und Extrahieren von Lithiumionen bei hohem Volumen begrenzt.

 

Die acht grundlegenden Anforderungen der Achteckbatterie zu erfüllen ist eine Herausforderung. Kommerzialisierung scheint sich auf ein bewegliches Ziel zu konzentrieren, das immer ein Jahrzehnt voraus ist, aber Wissenschaftler geben nicht auf. Hier sind einige der vielversprechendsten experimentellen Batterien.

 

Lithium-Luft (Li-Luft)

Lithium-Luft bietet eine aufregende neue Grenze, denn diese Batterie verspricht viel mehr Energie zu speichern, als mit aktuellen Lithium-Ionen-Technologien möglich ist. Wissenschaftler nehmen die Idee von Zink-Luft und der Brennstoffzelle, um die Batterie "atmen" Luft. Die Batterie verwendet eine katalytische Luftkathode, die Sauerstoff, einen Elektrolyten und eine Lithiumanode liefert.

 

Die theoretische spezifische Energie von Lithium-Luft beträgt 13 kWh / kg. Aluminium-Luft wird ebenfalls getestet, und es ist etwas niedriger bei 8 kWh / kg. Wenn diese Energien tatsächlich abgegeben werden könnten, wäre Metall-Luft, wie die Batterie auch genannt wird, mit etwa 13 kWh / kg gleichauf mit Benzin. Aber selbst wenn das Endprodukt nur ein Viertel der theoretischen Energiedichte hätte, würde der Elektromotor mit einem Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent die geringere Kapazität gegenüber dem ICE mit einem thermischen Wirkungsgrad von nur 25-30 Prozent ausgleichen.

 

Li-Air wurde in den 1970er Jahren vorgeschlagen und gewann in den späten 2000er Jahren erneut Interesse, teilweise aufgrund von Fortschritten in der Materialwissenschaft und dem Bestreben, eine bessere Batterie für den elektrischen Antriebsstrang zu finden. Abhängig von den verwendeten Materialien erzeugt Lithium-Luft Spannungen zwischen 1,7 und 3,2 V / Zelle. IBM, MIT, die University of California und andere Forschungszentren entwickeln die Technologie.

 

Wie bei anderen luftatmenden Batterien kann die spezifische Leistung niedrig sein, besonders bei kalten Temperaturen. Luftreinheit wird auch als eine Herausforderung angesehen, da die Luft, die wir in unseren Städten atmen, nicht sauber genug für Lithium-Luft ist und gefiltert werden müsste. Nach allem, was wir wissen, kann die Batterie mit Kompressoren, Pumpen und Filtern, die einer Brennstoffzelle ähneln, enden und 30 Prozent ihrer produzierten Energie verbrauchen, um zusätzliche Unterstützung zu erhalten, um am Leben zu bleiben.

 

Ein anderes Problem ist das plötzliche Todsyndrom. Lithium und Sauerstoff bilden Lithiumperoxidfilme, die eine Barriere bilden, die Elektronenbewegungen verhindert und zu einer plötzlichen Verringerung der Speicherkapazität der Batterie führt. Wissenschaftler experimentieren mit Additiven, um die Filmbildung zu verhindern. Das Zyklusleben muss sich auch verbessern; Labortests produzieren derzeit nur 50 Zyklen.

 

Lithium-Metall (Li-Metall)

Lithium-Metall wurde wegen seiner hohen spezifischen Energie und seiner guten Ladefähigkeit lange Zeit als der zukünftige wiederaufladbare Akku angesehen. Eine unkontrollierte Lithiumablagerung verursacht jedoch ein Dendritenwachstum, das Sicherheitsrisiken hervorruft, indem es den Separator durchdringt und einen elektrischen Kurzschluss erzeugt.

 

Nach mehreren gescheiterten Versuchen, wiederaufladbare Lithium-Metall-Batterien zu kommerzialisieren, werden die Forschung und die begrenzte Herstellung dieser Batterie fortgesetzt. Im Jahr 2010 wurde ein Versuch Lithium-Metall mit einer Kapazität von 300Wh / kg in einem experimentellen Elektrofahrzeug installiert. DBM Energy, der deutsche Hersteller dieser Batterie, fordert 2.500 Zyklen, kurze Ladezeiten und wettbewerbsfähige Preise, wenn die Batterie in Serie produziert wird.

 

Ein Audi A2 mit diesen Batterien fuhr mit einer Ladung über 450 Kilometer von München nach Berlin. Es gibt das Gerücht, dass das Auto sich während eines Labortests durch ein Feuer zerstört hat. Obwohl die Lithium-Metall-Batterien die strengen Zulassungstests bestanden haben, bleibt die Langzeitsicherheit ein Problem, da sich Metallfasern bilden können, die einen elektrischen Kurzschluss verursachen können.

 

Mit 300 Wh / kg hat Lithium-Metall eine der höchsten spezifischen Energien von wiederaufladbaren Lithium-Batterien. NCA im Tesla S 85 kommt mit 250 Wh / kg, LMO im BMW i3 hat 120 Wh / kg und eine ähnliche Chemie im Nissan Leaf hat 80 Wh / kg. Die BMW i3 und Leaf Batterien sind für hohe Haltbarkeit ausgelegt; Tesla erreicht dies durch Überdimensionierung.

 

Eine Lösung zur Hemmung des Dendritenwachstums könnte unmittelbar bevorstehen. Zur Herstellung dendritenfreier Beläge auf Li-Metall-Batterien werden Tests durch Zugabe von Nanodiamanten als Elektrolytadditiv durchgeführt. Dies beruht auf dem Prinzip, dass Lithium bevorzugt auf der Oberfläche eines Diamanten absorbiert, was zu einer gleichmäßigen Abscheidung und einer verbesserten Zyklusleistung führt. Tests haben gezeigt, dass 200 Stunden lang stabiles Radfahren möglich ist, aber dies würde keine ausreichende Garantie für Verbraucheranwendungen wie Mobiltelefone und Laptops bieten. In Verbindung mit den Forschungsarbeiten benötigen Li-Metall-Batterien möglicherweise andere Vorsichtsmaßnahmen, einschließlich nicht brennbarer Elektrolyte, sicherere Elektrodenmaterialien und stärkere Separatoren.

 

Festkörper-Lithium

Das aktuelle Li-Ion verwendet eine Graphitanode und dies reduziert die spezifische Energie. Die Festkörpertechnologie ersetzt Graphit durch reines Lithium und ersetzt den in einem porösen Separator getränkten Flüssigelektrolyten durch ein festes Polymer oder einen keramischen Separator. Dies ähnelt dem 1970er Lithium-Polymer, das aus Sicherheits- und Leistungsgründen eingestellt wurde. (Siehe BU-206: Li-Polymer: Hypoxysubstanz.)

 

Die Festkörperbatterie hat Ähnlichkeit mit Lithiummetall, und die Wissenschaftler versuchen, das Problem der Bildung von Metallfäden durch die Verwendung von Trockenpolymer- und Keramikabscheidern zu lösen. Zusätzliche Herausforderungen sind eine ausreichende Leitfähigkeit bei kühlen Temperaturen und die Notwendigkeit, die Anzahl der Zyklen zu verbessern. Festkörperprototypen sollen nur 100 Zyklen erreichen.

 

Festkörperbatterien versprechen, die doppelte Energie im Vergleich zu herkömmlichen Li-Ionen zu speichern, aber die Belastbarkeit ist möglicherweise gering, so dass sie für elektrische Antriebsstränge und Anwendungen, die hohe Ströme erfordern, weniger geeignet sind. Gezielte Anwendungen sind die Lastnivellierung für erneuerbare Energiequellen sowie Elektrofahrzeuge durch Einlösung der kurzen Ladezeiten, die diese Batterie ermöglicht. Forschungslabore, darunter Bosch, prognostizieren, dass die Festkörperbatterie bis 2020 kommerziell verfügbar sein und im Jahr 2025 in Autos umgesetzt werden könnte.

 

Regierungen belohnen Unternehmen, die Festkörperbatterien mit großen Zuschüssen erforschen. Laborexpertisen weisen eine hohe spezifische Energie und überlegene Sicherheit auf, da sie keinen entflammbaren Elektrolyten haben, aber Batteriespezialisten sind noch nicht überzeugt, Lithium-Ionen zu ersetzen. Ein renommierter Batteriespezialist sagt: "Es ist nicht zu verstehen, dass eine Festkörper-Lithiumbatterie kostengünstig hergestellt werden kann, um mit Li-Ionen mit Flüssigelektrolyten hinsichtlich Kosten pro kWh, Langlebigkeit und Sicherheit zu konkurrieren." Zustandsbatterien neigen dazu, eine hohe innere Impedanz aufzuweisen, haben eine schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen und unterliegen einem Dendritenwachstum.

 

Lithium-Schwefel (Li-S)

Aufgrund des niedrigen Atomgewichts von Lithium und des moderaten Gewichts von Schwefel bieten Lithium-Schwefel-Batterien eine sehr hohe spezifische Energie von 550 Wh / kg, etwa dreimal so viel wie Li-Ionen. Li-S hat auch eine respektable spezifische Leistung von 2.500W / kg. Während der Entladung löst sich Lithium von der Anodenoberfläche und kehrt sich beim Aufladen um, indem es sich selbst wieder auf die Anode aufbringt. Li-S hat eine Zellspannung von 2,10 V, bietet gute Kaltentladungseigenschaften und kann bei -60 ° C (-76 ° F) aufgeladen werden. Die Batterie ist umweltfreundlich; Schwefel, der Hauptbestandteil, ist reichlich vorhanden. Ein Preis von US $ 250 pro kWh soll möglich sein.

 

Ein typisches Li-Ion hat eine Graphitanode, in der Lithium-Ionen untergebracht sind, ähnlich wie Hotelgäste es buchen. Beim Entladen gibt die Batterie die Ionen an die Kathode ab und repliziert Gäste, die morgens auschecken. In Li-S wird Graphit durch Lithiummetall ersetzt, ein Katalysator, der eine doppelte Aufgabe als Elektrode und Lieferant von Lithiumionen stellt. Die Li-S-Batterie wird von "Eigengewicht" befreit, indem die in einem Li-Ion verwendete Metalloxidkathode durch billigeren und leichteren Schwefel ersetzt wird. Schwefel hat den zusätzlichen Vorteil, Lithiumatome doppelt zu binden, was Li-Ionen nicht können.

 

Eine Herausforderung bei Lithium-Schwefel ist die begrenzte Zykluslebensdauer von nur 40-50 Ladungen / Entladungen, da Schwefel während des Zyklusses verloren geht, indem er von der Kathode weggeschoben wird und mit der Lithiumanode reagiert. Andere Probleme sind eine schlechte Leitfähigkeit, ein Abbau der Schwefelkathode mit der Zeit und eine schlechte Stabilität bei höheren Temperaturen. Seit 2007 experimentieren Stanford-Ingenieure mit Nanodraht. Versuche mit Graphen werden ebenfalls mit vielversprechenden Ergebnissen durchgeführt.

 

Natriumion (Na-Ion)

Natriumionen stellen eine mögliche kostengünstigere Alternative zu Li-Ionen dar, da Natrium kostengünstig und leicht verfügbar ist. In den späten 1980er Jahren zugunsten von Lithium beiseite gelegt, hat Na-Ion den Vorteil, dass es vollständig entladen werden kann, ohne auf Belastungen zu stoßen, die bei anderen Batteriesystemen üblich sind. Die Batterie kann auch ohne Einhaltung der Gefahrgutvorschriften versendet werden. Einige Zellen haben 3,6 V, und die spezifische Energie beträgt etwa 90 Wh / kg mit Kosten pro kWh, die der Blei-Säure-Batterie ähnlich ist. Eine weitere Entwicklung wird erforderlich sein, um die Zykluszahl zu verbessern und die große volumetrische Expansion zu lösen, wenn die Batterie vollständig geladen ist.


Der nächste streifen: Lithium-Batterie Allgemeinwissen