Überblick
Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien sind eine aufstrebende Batterietechnologie, die gegenüber herkömmlichen flüssigen Lithium-Ionen-Batterien mehrere wesentliche Vorteile bietet. Damit gelten Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien auch als nächste Generation der Batterietechnologie. Allerdings gibt es bei Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien noch viele Verbesserungsmöglichkeiten in Bezug auf die Sicherheit, Leistung, und Energiedichte im Vergleich zu den fortschrittlichsten heute verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien, So setzt man beispielsweise auf die Entdeckung und Anwendung hochwertiger Festelektrolyte als Ersatz für die derzeit verwendeten flüssigen Lösungen.
Die Lithiumbatterieindustrie entwickelt sich ständig weiter, Wir forschen täglich an der Entwicklung immer leistungsfähigerer innovativer Technologien, um sicherzustellen, dass dieses Produkt eine größere Reichweite hat, größere Macht, und kürzere Ladezeit.
In diesem Sinne, Die Festkörperbatterietechnologie scheint die letzte Grenze der Technologie zu sein, und diese neue Lösung hat großes Potenzial, die Zukunft von Elektrofahrzeugen zu werden. Es hat eine Reihe enormer Vorteile, aber auch viele Einschränkungen, die den Markteintritt verzögern.
Inhaltsverzeichnis
Was ist eine Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie??
Direkte Antwort: Bei beiden handelt es sich um Lithiumbatterien, aber es wäre besser.
Ihre Arbeitsprinzipien sind die gleichen, außer dass sich in der Festkörper-Lithiumbatterie keine flüssige Komponente befindet. In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, Der Elektrolyt ist flüssig. Es besteht im Allgemeinen aus Lithiumsalzen (wie LiPF 6, LiBF 4, oder LiClO 4) in organischen Lösungsmitteln gelöst (wie Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, usw.). Im Akku eines Smartphones befindet sich eine flüssige Komponente namens Elektrolyt, Dadurch können Lithium-Ionen frei fließen und Ihr Gerät nach dem Laden mit Strom versorgen. Dies führt auch zu einem Phänomen namens Flüssigkeitsaustritt, wenn Sie Ihr Telefon fallen lassen.
Festkörperbatterie vs. Lithium-Ionen: Unterschiede aufdecken
Bei der Entwicklung von Batteriespeichern, Zwei große Konkurrenten konkurrieren um die Spitzenposition: Festkörperbatterien und Lithium-Ionen-Batterien. Diese leistungsstarken Batterien versorgen unsere Unterhaltungselektronik- und erneuerbaren Energiesysteme mit Strom. Mit dem Aufkommen von Festkörperbatterie Technologie, Die Batterieindustrie befindet sich in einer technologischen Revolution, Damit wird die marktbeherrschende Stellung von Lithium-Ionen-Batterien in Frage gestellt.
Doch was ist der entscheidende Unterschied zwischen Festkörperbatterien und Lithium-Ionen-Batterien??
Wie bereits erwähnt, Der Hauptunterschied liegt in ihrer Elektrolytzusammensetzung, was man auch an ihren Namen erkennen kann. Außerdem, wir können mehr lernen. Es kann auch so verstanden werden, Warum sollten Sie sich mit Festkörper-Lithiumbatterien befassen?? Was sind seine Vorteile??
Energiedichte
Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien： Dieser Batterietyp kann fast doppelt so viel Energie speichern wie flüssige Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere beim Austausch von Anodenmaterialien durch kleinere.
Lithium-Ionen-Akku：Die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien, die aus unterschiedlichen chemischen Rohstoffen bestehen, kann variieren, aber im Vergleich zu Festkörperbatterien, ihre Energiedichte ist geringer.
Elektrolytmaterial
Der Elektrolyt einer Batterie ist eine leitfähige chemische Mischung, die den Fluss von Metallionen zwischen Anode und Kathode ermöglicht, was zu elektrochemischen Reaktionen führt.
Der Hauptunterschied zwischen herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien und Festkörper-Lithium-Batterien auf dem Markt besteht darin, dass erstere einen flüssigen Elektrolyten zur Stromregulierung verwenden, während Festkörperbatterien einen festen Elektrolyten wählen.
Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien: Der Einsatz fester Elektrolyte anstelle von Flüssigkeiten führt zu einem geringeren Gesamtgewicht und einer höheren Energiedichte. Dies wird bei einigen Transportmitteln auch Gewichtsvorteile mit sich bringen.
Lithium-Ionen-Akku: In flüssigen Elektrolyten finden elektrochemische Reaktionen statt, Dadurch fließen Lithiumionen zwischen Kathode und Anode.
Lithium-Ionen-Batterien haben unterschiedliche chemische Typen, und es gibt auch Unterschiede zwischen ihnen. Es gibt LCO, LMO, LFP, NCA, LTO, und so weiter. Sie können diesen Artikel mit dem Titel lesen “6 Chemische Arten von Lithium-Ionen-Batterien, aus denen Sie wählen können” um ein detaillierteres Verständnis zu erhalten.
Sicherheit von Lithiumbatterien
Festkörper-Lithiumbatterien: Festelektrolyte verringern das Risiko thermischer Unfälle, um sie sicherer zu machen, nicht nur beim Transport, sondern auch im Einsatz.
Lithium-Ionen-Akku: Es treten leicht Sicherheitsprobleme wie Überhitzung auf, Erweiterung, und Feuer, stellen ein größeres Risiko dar als Blei-Säure-Batterien.
Wie lange hält eine Lithiumbatterie?
Festkörper-Lithiumbatterien: Festelektrolyte weisen im Vergleich zu Flüssigkeiten eine höhere Stabilität und eine geringere Reaktivität auf, was zu einer relativ längeren Lebensdauer führt.
Lithium-Ionen-Akku: Die Anzahl der Ladevorgänge eines Akkus ist innerhalb eines bestimmten Bereichs begrenzt. Flüssige Lithium-Ionen-Batterien haben etwas höhere Temperaturanforderungen, und die Umgebungstemperatur zum Laden, entladen, und die Verwendung ist in der Regel angegeben. Im Vergleich zu Festkörperbatterien hat sie eine kürzere Lebensdauer.
Aufbau von Festkörperbatterien
Jeder Lithium-Ionen-Akku hat:
Zwei Elektroden, Dabei handelt es sich um Verbindungen, die in ihrer Struktur eingebettete Lithiumionen aufnehmen können.
Unter Kathode versteht man die positive Elektrode einer Batterie, die aus Kathodenmaterialien wie LFP besteht, NMC, LMO, usw.
Als Anode bezeichnet man die negative Elektrode einer Batterie, die aus einem Anodenmaterial besteht (beispielsweise nicht aktive Substanzen wie Kohlenstoff oder Graphit).
Die zentrale Trennwand, Dabei handelt es sich um eine dünne Schicht aus Kunststoffpolymer (Polyethylen oder Polypropylen), dient als Trennwand zwischen Anode und Kathode, sowie ein Isolator.
Elektrolyt: ein Medium für die Ionenbewegung; Organische Flüssigkeiten, die Lithiumsalze enthalten. Elektrolyt füllt das gesamte Volumen im Inneren der Batterie, taucht die Elektroden ein, und ermöglicht die Bewegung von Lithiumionen.
In vorhandenen Lithium-Ionen-Batterien, Die Hauptfunktion des Separators ist die Isolierung, aber es hat keine anderen Funktionen. Es ist vollständig mit flüssigem Elektrolyt gesättigt. Die Anode besteht üblicherweise aus Graphit, und Lithiumionen bewegen sich durch den Elektrolyten und werden in die Kristallstrukturen der Anode und Kathode eingefügt. Diese Strukturen weisen im Inneren Lücken auf, die extrem kleine Lithium-Ionen-Partikel aufnehmen können.
Jedoch, Der interne Aufbau von Festkörperbatterien ist anders, da alle Komponenten und Medien fest sind.
Festkörperbatterien bestehen aus den folgenden Komponenten:
Anode: Hergestellt aus Lithiummetall (reines Lithium).
Kathode: Hergestellt aus der gleichen Verbindung wie Lithium-Ionen-Batterien (wie LFP, NMC, LMO, usw.).
Membran, normalerweise Keramik oder festes Polymer, wird auch als Elektrolyt verwendet.
Die graue Schicht in der Mitte ist ein fester Separator, das nicht nur als Separator zwischen Anode und Kathode dient, sondern auch als Elektrolyt.
daher, Es ist sowohl ein Medium für die Ionenbewegung als auch eine elektrische Isolationsfunktion, dient als mechanische Membran zwischen Anode und Kathode. Dieser robuste und langlebige Träger kann die Graphitstruktur der Anode entfernen, Dadurch wird sichergestellt, dass sich Lithiummetall direkt an der Anode ansammelt. Zusätzlich, Es gibt einige halbfeste Lösungen, bei dem der Elektrolyt eine gelartige Substanz ist.
Es zeigt sich, dass das Konzept der Festkörperbatterien hinsichtlich des Platzbedarfs und des Materialeinsatzes von Elektrolyten und Separatoren überlegen ist.
Wie funktionieren Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien??
Das Funktionsprinzip von Festkörperbatterien ist dem herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien sehr ähnlich, außer dass sie Festelektrolyte statt flüssiger Elektrolyte verwenden, durch die Lithiumionen fließen. Der größte Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass Festkörperbatterien nicht alle Sicherheitsrisiken von Flüssigelektrolyten aufweisen.
Das Grundprinzip der Funktionsweise ist jedoch dasselbe. In Festkörperbatterien, An der positiven Elektrode der Batterie reichert sich reines Lithium an, und fließt dann beim Entladen von der negativen zur positiven Elektrode, sammeln sich in Form von Metall an, anstatt wie herkömmliche Flüssigelektrolytbatterien Metalloxidelektroden zu enthalten. Diese Funktion macht nicht nur die Batterie sicherer, sondern spart auch viel Platz.
Was sind die Vorteile von Festkörperbatterien??
Produktgröße
Festkörperelektrolyte haben die Separatoren in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien ersetzt, Sie nehmen weniger Platz ein und sind leichter als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Der technologische Durchbruch hat das Potenzial, auf Bereiche wie Flugzeuge und Lastkraftwagen für den Transport angewendet zu werden.
Batteriegewicht
Lithium ist das leichteste Metallelement, Dadurch können Lithiummetallanoden in Festkörperbatterien eine höhere Energiedichte in kleineren Gehäusen bieten. Auf diese Weise, Festkörperbatterien sind zu einer leichten Option geworden.
Zum Beispiel, Da Elektrofahrzeuge immer größer werden, Auch die erforderliche Batteriekapazität steigt, um die Reichweitendaten aufrechtzuerhalten, was auch das Problem einer Gewichtszunahme mit sich bringt. Denn das erhöhte Gewicht führt zu einem erhöhten Reifenverschleiß, Dies führt zu mehr Partikelschadstoffen. daher, Die Reduzierung des Gewichts von Elektrofahrzeugen und deren Batterien trägt nicht nur zur Reduzierung der Abgasemissionen bei, sondern reduziert auch den Reifenverschleiß und die Partikelfreisetzung. Festkörperbatterien können hierfür hervorragende Grundvoraussetzungen bieten.
Sicherheit und Nutzungsdauer
Lithium-Ionen-Batterien enthalten flüchtige und brennbare flüssige Elektrolyte, die eine Brandgefahr darstellen. Festkörperbatterien, andererseits, kann höheren Temperaturen standhalten und eine stärkere thermische Stabilität aufweisen, Herstellung sie sicherer.
Aufgrund seiner geringeren Größe und höheren Energiedichte, Festkörperbatterien können mehr Energie auf kleinerem Raum speichern, Dies bedeutet, dass durch deren Verwendung die Akkulaufzeit verbessert werden kann.
Ein Hersteller behauptet, dass sein Elektrofahrzeug fahren kann 745 Meilen mit einer einzigen Ladung.
Was die Ladegeschwindigkeit angeht, Auch Feststoffbatterien eignen sich hervorragend. Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen benötigen normalerweise eine lange Lebensdauer 20 Minuten zu 12 Stunden bis zum vollständigen Aufladen, während Festkörperbatterien mindestens aufgeladen werden können 80% ihrer Kapazität in gerecht 10 Zu 15 Protokoll.
Festkörperbatterien haben außerdem eine längere Lebensdauer und können bis zu aufgeladen werden 5 Mal mehr als Lithium-Ionen-Batterien, Dadurch wird die Gesamtlebensdauer der Batterie verlängert. Der Datenvergleich zeigt, dass Festkörper-Lithiumbatterien überlegen sind.
Reduzieren Sie den CO2-Fußabdruck
Festkörperbatterien verbrauchen weniger Materialien und können die Klimabelastung reduzieren 39% im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien. Dadurch ist es auch umweltfreundlicher und entspricht dem Entwicklungsgedanken der CO2-Neutralität.
Schnelles Laden
Die neuesten Untersuchungen haben ergeben, dass die Ladegeschwindigkeit von Festkörperbatterien ist sechsmal schneller als bestehende Lithium-Ionen-Ladetechnologien. Aber um diese Geschwindigkeit zu erreichen, Einige andere wichtige Leistungsindikatoren könnten geopfert werden, Daher ist eine weitere Optimierung erforderlich.
Jedoch, Es kann bestätigt werden, dass flüssige Elektrolyte bei hohen Temperaturen anfällig für Schäden sind, während Festelektrolyte bei hohen Temperaturen eine bessere Leistung erbringen. Dies bedeutet, dass Festkörperbatterien beim Schnellladen und bei der Wärmeerzeugung eine bessere Leistung erbringen können, und es kann auch davon ausgegangen werden, dass sie ihre eigene Leistung hinsichtlich der Wärmeerzeugung nicht verlieren.
Warum brauchen wir sie??
Durch die Einführung von Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien, Analyse der Unterschiede zwischen Festkörperbatterie und Lithium-Ionen-Batterie, und die Vorteile einer Festkörperbatterie, Wir haben ein umfassendes Verständnis gewonnen.
Warum brauchen wir sie??
Herkömmliche Flüssigelektrolyt-Lithiumbatterien müssen über ein beträchtliches Volumen verfügen, um große Geräte wie Autos anzutreiben. Und diese Batterien bergen Sicherheitsrisiken, Sie können sich aufgrund von Temperaturänderungen ausdehnen oder bei übermäßiger Kompression undicht werden. Es ist zu beachten, dass die Flüssigkeit im Inneren brennbar ist.
Jeder hat die Angst erlebt “Handy-Akkus gehen zur Neige” und versteht, dass auch die Frage der Akkulaufzeit während der Nutzung ein Faktor ist.
Obwohl traditionell Lithium-Ionen-Batterien haben sich im Vergleich zu früheren Batterien verbessert, Bei der Bewältigung dieser Probleme gibt es noch immer Defizite. Eine langsame Ladegeschwindigkeit und eine begrenzte Lebensdauer führen dazu, dass sie in vielen Anwendungen keine gute Leistung erbringen.
Und Feststoffbatterien lösen diese Probleme nach und nach. Sie haben ein kleineres Volumen, aber eine größere Kapazität, geringeres Gewicht, und höhere Sicherheit. Die Ladegeschwindigkeit ist schneller und die Lebensdauer länger, Damit kann es die Mängel herkömmlicher Lithiumbatterien weitgehend ausgleichen. Deshalb brauchen wir sie auch.
Wann wird Wir in der Lage sein, Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien zu sehen
In den folgenden Bereichen wurde die Festkörpertechnologie in kleinen Mengen eingesetzt:
Für den Einsatz in geeigneten Klimazonen geeignete Batterien
Batterie für Luft- und Raumfahrtanwendungen
Halbfeste oder feste Hybridbatterie.
Ein chinesischer Autokonzern hat kürzlich den Startschuss gegeben 50 Autos, die mit halbfesten Batterien ausgestattet sind
Aber Festkörperbatterien befinden sich noch in der Entwicklung, und es müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden, um in großem Maßstab kommerziell angewendet zu werden.
Kosten
Derzeit, Die Produktionskosten von Festkörperbatterien sind höher als die von gewöhnlichen Lithium-Ionen-Batterien, da sie teurere Materialien verwenden und der Produktionsprozess komplexer ist. Normalerweise, Ausgereifte Markttechnologien werden optimiert, bevor sie in den Einsatz kommen, Das ist also noch ein fortlaufender Prozess.
Vergrößern
Der Großteil der Entwicklung von Festkörperbatterien befindet sich noch im Laborstadium, und Festkörperbatterien gelten als sicherer als herkömmliche Batterien. Jedoch, Das Problem des Kurzschlussrisikos, das durch nadelartiges Wachstum von Lithiummetall verursacht wird, muss noch untersucht und dringend gelöst werden. In der Zwischenzeit, Wie sich der Produktionsumfang erweitern lässt, ist ebenfalls ein fortlaufendes Forschungsthema.
Stabilitätsprobleme
Festkörperbatterien sind während des Lade- und Entladevorgangs wie Atmen. Lithiummetallanoden werden beim Laden dicker und beim Entladen dünner. Die Hauptfrage besteht darin, wie sowohl der feste als auch der komprimierte Zustand gleichzeitig aufrechterhalten werden können.
Die Batterie muss komprimiert bleiben, um sicherzustellen, dass sich die inneren Schichten nicht trennen, Eine einfache Befestigung an der Außenhülle reicht jedoch nicht aus, da der Akku flexible Dehnbarkeit erfordert “Atmung”.
daher, Es ist notwendig, eine komplexe mechanische Struktur zu entwerfen. Die Verwendung von Federn zur Aufrechterhaltung der Flexibilität aller Komponenten während der Kompression, aber dieses mechanische System ist komplex und teuer, was die Massenproduktion erschwert.
Aufgrund der Zusammensetzung von Festkörperbatterien, Eine Expansion kann nicht vollständig vermieden werden. Durch Forschung zur Reduzierung des Druckbedarfs, Batterien können bei niedrigeren Drücken stabil bleiben oder fortschrittlichere Materialien verwenden, um den Bedarf zu decken. Dies wird eine Schlüsselrichtung für die zukünftige technologische Entwicklung sein.
Separatoren und Temperatur
Ionen sind Stoffe, die eigentlich geladene Atome sind, wodurch sie sich leichter in Flüssigkeiten bewegen können. Damit sich Ionen in Festkörpern frei bewegen können, Trennzeichen (wie Keramikseparatoren) müssen spezielle Komponenten haben. Derzeit, Wir haben einige Hochleistungs-Festelektrolyte, aber diese Elektrolyte funktionieren bei Raumtemperatur nicht gut. Erst bei höheren Temperaturen können sie gute Leiter werden 50 Grad Celsius.
Dies führt zu Einschränkungen bei der praktischen Anwendung von Festkörperbatterien, da Batterien in Fahrzeugen hohe Temperaturen nicht unbegrenzt aufrechterhalten können.
Wenn die Temperatur von Festkörperbatterien nicht hoch ist, ihre Leistung wird deutlich nachlassen. daher, Es bedarf weiterer Forschung, um sicherzustellen, dass Festelektrolyte auch bei niedrigen Temperaturen eine gute Leistung erbringen, um Festkörperbatterien in praktischeren Anwendungen einzusetzen.
Forschung und Entwicklung im Bereich Festkörperbatterien schreiten rasant voran, und viele Experten glauben, dass Festkörperbatterien irgendwann zum Standard in Bereichen wie Elektrofahrzeugen werden.
Abschluss
Viele Hersteller der Batterieindustrie sind an dieser vielversprechenden Technologie interessiert, wie Mercedes Benz, Volkswagen, Toyota, Tesla, usw., und sie investieren erhebliche Ressourcen in Forschung und Entwicklung. Wenn technische Probleme gelöst sind, Sie werden die ersten Menschen auf dem Markt sein und somit die Diskursmacht innehaben. Und es wird erwartet, dass es zwischen veröffentlicht wird 2024 Und 2026, Das wird mit Spannung erwartet und ist es wert, beachtet zu werden.
