Inhalt

• Platzsparend
• Längere Lebensdauer
• Arten von Festkörperelektrolyten
• Dünnschichtbatterien
• Größere, sperrigere Batterien
• Sehr gut leitend
• Einpacken

Vor ein paar Wochen hat uns Kris das Thema Festkörperbatterien vorgestellt und wie sie die nächste große Weiterentwicklung der Smartphone-Batterietechnologie darstellen könnten. Kurz gesagt, Festkörperbatterien sind sicherer, können mehr Saft einfüllen und können für noch dünnere Geräte verwendet werden. Leider ist es derzeit unerschwinglich, sie in mittelgroße Smartphone-Zellen zu stecken, aber das könnte sich in den kommenden Jahren ändern.

Wenn Sie sich also gefragt haben, was genau eine Festkörperbatterie ist und wie sie sich von den heutigen Lithium-Ionen-Zellen unterscheidet, lesen Sie weiter.

Der Hauptunterschied zwischen der üblicherweise verwendeten Lithiumionenbatterie und einer Festkörperbatterie besteht darin, dass die erstere eine flüssige Elektrolytlösung verwendet, um den Stromfluss zu regulieren, während Festkörperbatterien sich für einen Festkörperelektrolyten entscheiden. Der Elektrolyt einer Batterie ist ein leitfähiges chemisches Gemisch, das den Stromfluss zwischen Anode und Kathode ermöglicht.

Festkörperbatterien funktionieren immer noch auf die gleiche Weise wie derzeitige Batterien, aber die Änderung der Materialien ändert einige Attribute der Batterie, einschließlich der maximalen Speicherkapazität, Ladezeiten, Größe und Sicherheit.

Strom in einer Batterie fließt zwischen der Anode und der Kathode durch einen leitenden Elektrolyten, während Separatoren verwendet werden, um einen Kurzschluss zu verhindern.

Platzsparend

Der unmittelbare Vorteil des Wechsels von einem flüssigen zu einem festen Elektrolyten besteht darin, dass sich die Energiedichte der Batterie erhöhen kann. Dies liegt daran, dass Festkörperbatterien keine großen Separatoren zwischen den Flüssigkeitszellen benötigen, sondern nur sehr dünne Barrieren, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

Festkörperbatterien können doppelt so viel Energie aufnehmen wie Li-Ionen

Herkömmliche flüssigkeitsgetränkte Batterieseparatoren haben eine Dicke von 20 bis 30 Mikron. Durch die Festkörpertechnologie können die Separatoren auf jeweils 3-4 Mikrometer reduziert werden. Dies spart nur durch Materialwechsel etwa das Siebenfache an Platz.

Diese Separatoren sind jedoch nicht die einzige Komponente in der Batterie, und andere Teile können nicht so stark schrumpfen, wodurch das platzsparende Potenzial von Festkörperbatterien begrenzt wird.

Trotzdem können Festkörperbatterien bis zu doppelt so viel Energie wie Li-Ionen aufnehmen, wenn auch die Anode durch eine kleinere Alternative ersetzt wird.

Längere Lebensdauer

Festkörperelektrolyte sind in der Regel weniger reaktiv als die heutigen Flüssigkeiten oder Gele. Sie halten also voraussichtlich viel länger und müssen nach nur 2 oder 3 Jahren nicht ersetzt werden. Dies bedeutet auch, dass diese Batterien nicht explodieren oder Feuer fangen, wenn sie beschädigt sind oder Herstellungsfehler aufweisen. Dies bedeutet sicherere Produkte für den Verbraucher.

Festkörperbatterien können nicht explodieren oder Feuer fangen, wenn sie beschädigt sind oder Herstellungsfehler aufweisen.

In aktuellen Smartphones werden häufig austauschbare Batterien für diejenigen gesucht, die das gleiche Telefon viele Jahre lang verwenden möchten, da sie ausgetauscht werden können, sobald sie zusammenbrechen.

Smartphonebatterien sind nach etwa einem Jahr oft nicht mehr ausreichend aufgeladen und können sogar dazu führen, dass die Hardware instabil wird, zurückgesetzt wird oder nach mehreren Jahren nicht mehr funktioniert. Mit Festkörperbatterien könnten Smartphones und andere Geräte viel länger halten, ohne dass eine Ersatzzelle benötigt wird.

Es gibt viele feste chemische Verbindungen, die in Batterien verwendet werden könnten, nicht nur eine.

Die Rede von flüssigen versus festen Batterien ist jedoch eine Übervereinfachung des Themas, da es viele feste chemische Verbindungen gibt, die in Batterien verwendet werden können, nicht nur in einer.

Arten von Festkörperelektrolyten

Es gibt acht verschiedene Hauptkategorien von Festkörperbatterien, die jeweils unterschiedliche Materialien für den Elektrolyten verwenden. Dies sind Li-Halogenid, Perowskit, Li-Hydrid, NASICON-ähnlich, Granat, Argyrodit, LiPON und LISICON-ähnlich.

Da es sich immer noch um eine aufstrebende Technologie handelt, haben die Forscher immer noch die besten Arten von Festkörperelektrolyten für verschiedene Produktkategorien herausgefunden. Bisher hat sich noch keiner als klarer Marktführer erwiesen, aber Sulfid-, LiPON- und Granat-Zellen gelten derzeit als die vielversprechendsten.

Sie werden wahrscheinlich bemerkt haben, dass viele dieser Typen immer noch auf Lithium (Li) basieren, da sie immer noch Lithiumelektroden verwenden. Viele entscheiden sich jedoch für neue Anoden- und Kathodenelektrodenmaterialien, um die Leistung zu verbessern.

Dünnschichtbatterien

Selbst bei Festkörperbatterietypen gibt es zwei eindeutige Untertypen - Dünnfilm und Bulk. Einer der erfolgreichsten Dünnschichttypen, der bereits auf dem Markt ist, ist LiPON, das von den meisten Herstellern mit einer Lithiumanode hergestellt wird.

Der LiPON-Elektrolyt bietet hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Gewicht, Dicke und Flexibilität und ist somit ein vielversprechender Zelltyp für tragbare Elektronik und Geräte, die kleine Zellen erfordern. LiPON geht auf länger anhaltende Zellen zurück und weist auch nach 40.000 Ladezyklen eine hervorragende Stabilität mit einer Kapazitätsreduzierung von nur 5% auf.

LiPON-Batterien können 40- bis 130-mal länger halten als Li-Ionen-Batterien, bevor sie ausgetauscht werden müssen.

Zum Vergleich: Lithium-Ionen-Batterien bieten nur zwischen 300 und 1000 Zyklen, bevor sie einen ähnlichen oder größeren Kapazitätsabfall aufweisen. Dies bedeutet, dass LiPON-Akkus vor dem Austausch 40- bis 130-mal länger halten können als Li-Ionen-Akkus.

Der Nachteil von LiPON ist, dass die Gesamtenergiespeicherkapazität und -leitfähigkeit im Vergleich eher schlecht sind. Alternative Festkörperbatterietechnologien könnten jedoch der Schlüssel zu einer längeren Batterielebensdauer von Smartwatches sein, was derzeit eine Reihe von Kunden davon abhält, ein Wearable zu kaufen.

Größere, sperrigere Batterien

Bisher sind Festkörperbatterien noch nicht für größere Zellen in Smartphones und Tablets geeignet, geschweige denn für Laptops oder Elektroautos. Für größere Festkörper-Großbatterien mit einer größeren Kapazität ist eine überlegene Leitfähigkeit erforderlich, die flüssigen Elektrolyten nahekommt oder mit diesen übereinstimmt, was ansonsten vielversprechende Technologien wie LiPON ausschließt. Die Ionenleitung misst die Fähigkeit von Ionen, sich durch ein Material zu bewegen, und eine gute Leitung ist eine Voraussetzung für größere Zellen, um den erforderlichen Strom sicherzustellen.

LISICON und LiPS haben die Erforschung von LiPO-, LiS- und SiS-Batterien überholt. Diese Typen leiden jedoch immer noch unter einer geringeren Leitfähigkeit als organische und flüssige Elektrolyte bei Raumtemperatur, was sie für kommerzielle Produkte unpraktisch macht.

Sehr gut leitend

Hier setzt die Forschung an Granatoxid (LLZO) -Elektrolyten an, die sich durch eine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur auszeichnen.

Das Material erreicht eine Leitung, die nur geringfügig hinter den Ergebnissen flüssiger Lithium-Ionen-Zellen zurückbleibt, und neue Studien zu LGPS legen nahe, dass dieses Material sogar mit diesem übereinstimmen könnte.

Dies würde bedeuten, dass Festkörperbatterien ungefähr die gleiche Leistung und Kapazität haben wie die heutigen Li-Ion-Zellen, während Vorteile wie eine geringere Größe und eine längere Lebensdauer Realität werden.

Granat ist auch in Luft und Wasser stabil und eignet sich daher auch für Li-Air-Batterien. Leider muss es in einem teuren Sinterprozess hergestellt werden.

Dies macht es derzeit im Vergleich zu den niedrigen Kosten von Lithium-Ionen-Zellen zu einem unattraktiven Angebot für die Verwendung in Verbraucherbatterien. In Zukunft werden die Kosten wahrscheinlich sinken, wenn die Herstellungstechniken verfeinert werden. Wir sind jedoch noch weit von einer kommerziell realisierbaren Festkörperbatterie entfernt.

Einpacken

Offensichtlich wird noch viel an der Festkörperbatterietechnologie geforscht. Ausgereifte Zellen werden nach den frühesten Vorhersagen erst in vier oder fünf Jahren in Verbraucherprodukte wie Smartphones gelangen. Festkörperbatterien in anderen Geräten (wie Drohnen) können jedoch bereits im nächsten Jahr erscheinen.

Die neueste Forschung liefert jedoch endlich Ergebnisse, die hinsichtlich der Eigenschaften mit vorhandenen Li-Ionen-Batterien mithalten können und gleichzeitig die Vorteile von Festkörperelektrolyten bieten. Alles, was wir brauchen, ist, dass Herstellungsprozesse ausgereift sind, und es gibt eine Reihe großer und aufstrebender Batteriehersteller, die über die Ressourcen verfügen, um dies zu verwirklichen.

Zusammenfassend sind die Hauptvorteile all dieser chemischen Unterschiede aus Verbrauchersicht: bis zu 6-mal schnelleres Laden, bis zu 2-mal höhere Energiedichte, längere Lebensdauer von bis zu 10 Jahren im Vergleich zu 2 und keine brennbaren Komponenten. Dies wird sicherlich ein Segen für Smartphones und andere tragbare Geräte sein.