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Zukünftige Batterien
Nov 09, 2018

Zukünftige Batterien

Von der Batterieuniversität

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Erfahren Sie mehr über aufstrebende Batterien und darüber, was sie derzeit in Laboren hält.

 

Experimentalbatterien leben meist in geschützten Laboratorien und kommunizieren mit vielversprechenden Berichten nach außen, oft um Investoren anzulocken. Einige Designs zeigen unrealistische Ergebnisse mit voraussichtlichen Veröffentlichungsdaten, die mit der Zeit variieren. Die meisten Konzepte verschwinden aus der Batterieszene und sterben anmutig im Labor, ohne dass jemand von ihrem Tod hört.

 

Nur wenige andere Produkte haben ähnliche strenge Anforderungen wie die Batterie, und die Komplexität verwirrt Wagniskapitalgeber, die sich in der Dot-Com-Ära gut behaupteten und in nur drei Jahren eine ähnlich großzügige Rendite ihrer Investition erwarten. Die Entwicklung der Batterie dauert normalerweise 10 Jahre. Die meisten Risikokapitalgeber haben nicht die Geduld, zu warten, und sie ziehen das Geld zurück, sodass der Entwickler in tiefem Wasser bleibt. Kapitalbeschaffung ist zeitaufwändig und viele Startups widmen dieser Aufgabe ebenso viel Zeit und Energie wie der Forschung. (Siehe BU-104: Informationen zum Akku.)

 

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

 

Moli Energy war in den 1980er Jahren das erste Mal, dass eine wiederaufladbare Li-Metallbatterie in Serie produziert wurde, was jedoch ein ernstes Sicherheitsrisiko darstellte, da das Wachstum von Lithiumdendriten zu Kurzschlüssen führte, die zu thermischen Durchbrüchen führten. Die örtliche Feuerwehr wusste genau, wo im Moli-Werk ein Feueralarm ausgelöst werden sollte. Es war das Batterielager. Nach einem Lüftungsereignis, bei dem ein Batteriebenutzer verletzt wurde, wurden 1989 alle Lithium-Metall-Packs zurückgerufen. NEC und Tadiran versuchten, das Design mit begrenztem Erfolg zu verbessern. Nur sehr wenige Unternehmen stellen aufladbare Lithium-Metall-Batterien her und die meisten bieten nur die Primärversionen an. Die Forschung wird fortgesetzt und eine mögliche Lösung mit neuen Materialien als Teil des Festkörperlithiums könnte vorliegen. Dieses Design wird in diesem Abschnitt weiter beschrieben.

 

Forscher haben auch eine Anodenstruktur für Li-Ionen-Batterien entwickelt, die auf Silizium-Kohlenstoff-Nanokompositmaterialien basiert. Eine Siliziumanode könnte theoretisch das Zehnfache der Energie einer Graphitanode speichern, aber Expansion und Schrumpfung während des Ladens und Entladens machen das System instabil. Durch die Zugabe von Graphit zur Anode soll eine theoretische Kapazität erreicht werden, die das Fünffache der Kapazität eines regulären Li-Ions bei stabiler Leistung beträgt. Die Lebensdauer des Zyklus wäre jedoch aufgrund struktureller Probleme beim Einfügen und Extrahieren von Lithium-Ionen mit hohem Volumen begrenzt.

 

Die acht grundlegenden Anforderungen der Octagon-Batterie zu erfüllen, ist eine Herausforderung. Die Kommerzialisierung scheint auf einem beweglichen Ziel zu verweilen, das immer ein Jahrzehnt voraus ist, aber die Wissenschaftler geben nicht auf. Hier sind einige der vielversprechendsten experimentellen Batterien.

 

 

Lithium-Luft (Li-Luft)

Lithium-Luft bietet eine aufregende neue Grenze, da diese Batterie viel mehr Energie zu speichern verspricht, als dies mit aktuellen Lithium-Ionen-Technologien möglich ist. Die Wissenschaftler leihen sich die Idee von Zink-Luft und der Brennstoffzelle, wenn die Batterie Luft atmen lässt. 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 ausprobiert und ist mit 8 kWh / kg etwas niedriger. Wenn diese Energien tatsächlich geliefert werden könnten, wäre Metall-Luft, wie die Batterie auch genannt wird, mit etwa 13 kWh / kg vergleichbar mit Benzin. Selbst wenn das Endprodukt nur ein Viertel der theoretischen Energiedichte ausmachen würde, würde der Elektromotor mit einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent seine geringere Leistung gegenüber dem ICE mit einem thermischen Wirkungsgrad von nur 25 bis 30 Prozent ausgleichen.

 

Li-air wurde in den 70er Jahren vorgeschlagen und erlangte in den späten 2000er Jahren erneut Interesse, zum Teil aufgrund von Fortschritten in der Materialwissenschaft und dem Bestreben, eine bessere Batterie für den elektrischen Antriebsstrang zu finden. Lithium-Luft erzeugt abhängig von den verwendeten Materialien Spannungen zwischen 1,7 und 3,2 V / Zelle. IBM, MIT, die University of California und andere Forschungszentren entwickeln die Technologie.

 

Wie bei anderen Luftatmungsbatterien kann die spezifische Leistung insbesondere bei kalten Temperaturen niedrig sein. Die Luftreinheit gilt auch als Herausforderung, da die Luft, die wir in unseren Städten atmen, für Lithium-Luft nicht sauber genug ist und gefiltert werden müsste. Soweit wir wissen, kann die Batterie mit Kompressoren, Pumpen und Filtern enden, die einer Brennstoffzelle ähneln und 30 Prozent ihrer erzeugten Energie verbrauchen, damit die Hilfsunterstützung am Leben bleibt.

 

Ein weiteres Problem ist das plötzliche Todessyndrom. Lithium und Sauerstoff bilden Lithiumperoxidfilme, die eine Barriere bilden, die die Bewegung von Elektronen verhindert und die Speicherkapazität der Batterie abrupt verringert. Wissenschaftler experimentieren mit Zusatzstoffen, um die Filmbildung zu verhindern. Das Zyklusleben muss sich auch verbessern; Labortests produzieren derzeit nur 50 Zyklen.

 

 

Lithium-Metall (Li-Metall)

Lithium-Metall gilt aufgrund seiner hohen spezifischen Energie und seiner guten Ladefähigkeit seit langem als der zukünftige wiederaufladbare Akku. Eine unkontrollierte Lithiumabscheidung verursacht jedoch ein Dendritenwachstum, das Sicherheitsrisiken darstellt, wenn es in den Separator eindringt und einen elektrischen Kurzschluss verursacht.

 

Nach mehreren erfolglosen Versuchen, Lithium-Metall-Akkus zu kommerzialisieren, wird die Erforschung und begrenzte Herstellung dieser Batterie fortgesetzt. Im Jahr 2010 wurde in einem experimentellen Elektrofahrzeug ein Lithium-Metallversuch mit einer Kapazität von 300 Wh / kg installiert. DBM Energy, der deutsche Hersteller dieser Batterie, behauptet 2.500 Zyklen, kurze Ladezeiten und wettbewerbsfähige Preise, wenn die Batterie in Massen produziert wurde.

 

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

 

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

 

Eine Lösung zur Hemmung des Dendritenwachstums könnte unmittelbar bevorstehen. Um Dendrit-freie Ablagerungen auf Li-Metall-Batterien zu erzeugen, werden Tests durch Zugabe von Nanodiamanten als Elektrolytzusatz durchgeführt. Dies funktioniert nach dem Prinzip, dass Lithium die Oberfläche eines Diamanten bevorzugt absorbiert, was zu einer gleichmäßigen Ablagerung führt und die Zyklusleistung verbessert. Tests haben gezeigt, dass der Zyklus 200 Stunden lang stabil ist. Dies bietet jedoch keine ausreichende Garantie für Verbraucheranwendungen wie Mobiltelefone und Laptops. In Verbindung mit den Forschungsarbeiten benötigen Li-Metall-Batterien möglicherweise andere Vorsichtsmaßnahmen wie nicht entflammbare Elektrolyte, sicherere Elektrodenmaterialien und stärkere Separatoren.

 

 

Festkörperlithium

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

 

Die Festkörperbatterie weist Ähnlichkeiten mit Lithium-Metall auf, und die Wissenschaftler versuchen, das Problem der Metallfilamentbildung mit trockenen Polymer- und Keramikseparatoren zu überwinden. Weitere Herausforderungen sind das Erzielen einer ausreichenden Leitfähigkeit bei kühlen Temperaturen und die Notwendigkeit, die Zykluszahl zu verbessern. Festkörperprototypen sollen nur 100 Zyklen erreichen.

 

Festkörperbatterien versprechen, doppelt so viel Energie wie herkömmliche Li-Ionen zu speichern, aber die Ladefähigkeit ist möglicherweise gering, so dass sie für elektrische Antriebe und Anwendungen, die hohe Ströme erfordern, weniger geeignet sind. Gezielte Anwendungen sind Lastniveaus für erneuerbare Energiequellen und für Elektrofahrzeuge, indem sie die kurzen Ladezeiten nutzen, die dieser Akku zulässt. Forschungslabors, darunter auch Bosch, prognostizieren, dass die Festkörperbatterie bis 2020 kommerziell verfügbar sein und 2025 in Fahrzeugen eingesetzt werden könnte.

 

Regierungen belohnen Unternehmen, die an Festkörperbatterien forschen, mit großen Zuschüssen. Laborberichte weisen eine hohe spezifische Energie und überlegene Sicherheit auf, da kein brennbarer Elektrolyt vorhanden ist. Batterieexperten sind jedoch noch nicht davon überzeugt, dass Li-Ionen als Ersatz dienen können. Ein renommierter Batteriespezialist sagt: „Ich kann nicht verstehen, dass eine Lithium-Festkörperbatterie kostengünstig hergestellt werden kann, um mit Li-Ion unter Verwendung von flüssigem Elektrolyt hinsichtlich der Kosten pro kWh, der Langlebigkeit und der Sicherheit zu konkurrieren.“ Zustandsbatterien neigen dazu, eine hohe interne Impedanz aufzuweisen, haben eine schlechte Niedertemperaturleistung und unterliegen einem Dendritenwachstum.

 

 

Lithium-Schwefel (Li-S)

Aufgrund des geringen Atomgewichts von Lithium und des mäßigen Gewichts von Schwefel bieten Lithium-Schwefel-Batterien eine sehr hohe spezifische Energie von 550 Wh / kg, etwa das Dreifache der von Li-Ion. Li-S hat auch eine beachtliche spezifische Leistung von 2.500 W / kg. Während der Entladung löst sich Lithium von der Anodenoberfläche und kehrt sich während des Ladens um, indem es sich wieder auf die Anode plattiert. Li-S hat eine Zellenspannung von 2,10 V, bietet eine gute Kälteentladung und kann bei –60 ° C (–76 ° F) aufgeladen werden. Die Batterie ist umweltfreundlich. Schwefel, der Hauptbestandteil, ist reichlich vorhanden. Ein Preis von 250 USD pro kWh soll möglich sein.

 

Ein typisches Li-Ion hat eine Graphit-Anode, die Lithium-Ionen beherbergt, ähnlich wie ein Hotel Gäste bucht. Bei der Entladung gibt der Akku die Ionen an die Kathode ab und repliziert Gäste, die morgens ausgehen. Bei Li-S wird Graphit durch Lithiummetall ersetzt, ein Katalysator, der als Elektrode und Lieferant von Lithiumionen eine doppelte Aufgabe erfüllt. Durch den Austausch der in einem Li-Ion verwendeten Metalloxidkathode durch kostengünstigeren und leichteren Schwefel wird die Li-S-Batterie von „Totgewicht“ befreit. Schwefel hat den zusätzlichen Vorteil, dass Lithiumatome doppelt gebucht werden, was Li-Ionen nicht können.

 

Eine Herausforderung bei Lithium-Schwefel ist die begrenzte Lebensdauer von nur 40–50 Ladungen / Entladungen, da Schwefel während des Zykluses verloren geht, indem er von der Kathode weggeschleudert 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 kostengünstige Alternative zu Li-Ionen dar, da Natrium kostengünstig und leicht verfügbar ist. In den späten achtziger Jahren zugunsten von Lithium beiseite gelegt, hat Na-Ion den Vorteil, dass es vollständig entladen werden kann, ohne dass es zu Spannungen kommt, die bei anderen Batteriesystemen üblich sind. Der Akku kann auch ohne Einhaltung der Gefahrgutvorschriften versendet werden. Einige Zellen haben 3,6 V und die spezifische Energie beträgt etwa 90 Wh / kg, wobei die Kosten pro kWh ähnlich sind wie bei der Bleibatterie. Es ist eine Weiterentwicklung erforderlich, um die Zykluszahl zu verbessern und die große Volumenausdehnung zu lösen, wenn die Batterie voll aufgeladen ist.


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