Lithium-Ionen-Batterie vs. Festkörperbatterie

Lithium-Ionen-Batterie vs. Festkörperbatterie

Lithium-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien sind zwei Hauptoptionen für die Stromversorgung tragbarer elektronischer Geräte. Diese beiden Batterietypen haben unterschiedliche Vor- und Nachteile. Hier ist jeweils eine Übersicht. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welcher Typ besser ist, lesen Sie weiter.

Festkörperbatterien

Obwohl Lithium-Ionen-Batterien nicht neu sind, steckt die Technologie noch in den Kinderschuhen. Toyota zum Beispiel führt jetzt experimentelle Forschung in diesem Bereich durch, um auf dem Markt für Elektrofahrzeuge wettbewerbsfähig zu bleiben. Volkswagen hat auch begonnen, Partnerschaften mit kleinen Technologieunternehmen einzugehen, um Festkörperbatterien für Automobilanwendungen zu entwickeln.

Festkörperbatterien haben das Potenzial, die interne Struktur und Verpackung der Batterie zu vereinfachen. Dies könnte die Herstellungskosten senken. Die Forscher werden diese potenzielle Nutzung untersuchen, indem sie Differentialgleichungen verwenden, um Festkörperbatterien zu modellieren. Zu Beginn werden die Forscher die veröffentlichte Literatur zu Batteriemodellen untersuchen. Die resultierenden Modelle werden es ihnen ermöglichen, die Leistungsmerkmale der Festkörperbatterie zu bestimmen.

Die Li-Ionen-Batterie ist zweiphasig aufgebaut, wobei ein oder mehrere feste Elektrolyte die Flüssigkeit vom Feststoff trennen. Diese Konstruktion hat mehrere Vorteile. Die Verwendung eines Hybridelektrolyten bietet zusätzliche Vorteile, wie verbesserte Stabilität über längere Zeiträume. Auch gegenüber reinen Flüssigelektrolyten hat ein Festpolymerelektrolyt Vorteile.

Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien können große Energiemengen speichern, was sie zu einem guten Kandidaten für zukünftige Energiespeichergeräte macht. Diese Batterien haben eine höhere Energiedichte und überlegene Sicherheitsleistung. Ihre größte Herausforderung liegt an der Schnittstelle zwischen Festelektrolyt und Elektrode. Es ist wichtig zu verstehen, wie die Zwischenschicht gebildet wird und wie dieses Problem gelöst werden kann.

Lithium-Ionen-Batterien

Im Vergleich zu Festkörperbatterien sind Lithium-Ionen-Batterien leicht, langlebig und können in stapelbaren Paketen eine bessere Leistung erbringen. Sie können jedoch instabil sein und explodieren oder Brände verursachen, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Allerdings sind Lithium-Ionen-Batterien die sicherste und zuverlässigste Option für die E-Mobilität.

Da Elektrofahrzeuge immer beliebter werden, konzentriert sich die Industrie auf die Verbesserung der Batterieleistung. Während Lithium-Ionen-Batterien lange Zeit die dominierende Option waren, könnten neuere Festkörperbatterien bald die Führung in der EV-Technologie übernehmen. Festkörperbatterien haben eine höhere Energiedichte und können die Fahrzeugreichweite um fünfzig bis hundert Prozent erhöhen.

Lithium-Ionen-Batterien enthalten flüssige Elektrolyte, während Festkörperbatterien aus festen Materialien bestehen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Typen liegt in der Art und Weise, wie die Elektrolyte gespeichert werden. Festkörperbatterien sind stabiler als Lithium-Ionen-Batterien und können bis zu 2.5-mal leistungsstärker sein als ihre flüssigen Pendants.

Festkörperbatterien können teurer sein als Lithium-Ionen-Batterien. Es ist auch bekannt, dass sie unter Kurzschlüssen leiden. Dies liegt daran, dass sich ihre Lithiummetallpartikel auf einer Seite der Batterie ansammeln können. Dieser Dendrit durchsticht den Separator und verursacht einen Kurzschluss.

Lithium-Ionen-Batterien enthalten flüssige Elektrolyte, die flüchtig und brennbar sein können. Festkörperbatterien enthalten keine flüssige Komponente, daher haben sie ein geringeres Brandrisiko als Lithium-Ionen-Batterien. Sie benötigen auch weniger Sicherheitssysteme als Lithium-Ionen-Batterien. Festkörperbatterien bieten auch eine höhere Energiedichte.

Flüssig-Ionen-Batterien

Flüssig-Ionen-Batterien sind eine gute Wahl für Elektrofahrzeuge, da sie einfach zu lagern und zu entladen sind. Sie haben jedoch einige Nachteile. Lithium-Ionen-Batterien können einen Zustand entwickeln, der als thermisches Durchgehen bezeichnet wird, was dazu führt, dass sich eine einzelne Zelle in der Batterie zu erhitzen beginnt und die anderen Zellen im Paket nachziehen. Letztendlich verursacht dies einen Brand im Inneren des Akkupacks, der schwer zu löschen ist. Lithium-Ionen-Batterien neigen auch dazu, Elektrolyt auszulaufen, der sehr leicht entzündlich ist. Folglich müssen diese Akkus vor der Verwendung aufgeladen werden.

Festkörperbatterien haben auch ihre Nachteile. Sie sind zwar viel leichter und kompakter als Lithium-Ionen-Akkus, aber nicht so langlebig wie herkömmliche Batterien. Außerdem sind sie bei extremen Temperaturen weniger effizient, was sie für Fahrzeuge weniger nützlich macht. Außerdem können sie instabiler sein und Brände und Explosionen verursachen.

Festkörperbatterien haben auch den Vorteil, dass sie energiedichter sind. Sie haben die zwei- bis dreifache Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien. Dadurch wären sie kleiner und leichter, was für die Verbraucher von Vorteil sein könnte. Außerdem können sie Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite verleihen. Für die Umwelt könnte das eine tolle Sache sein.

Festkörperbatterien bieten auch eine größere Kapazität. Obwohl sie sich noch im Versuchsstadium befinden, können sie mehr Energie speichern als ihre Flüssigionen-Pendants. Einige Autohersteller, darunter Toyota und Volkswagen, investieren riesige Summen in die Entwicklung von Festkörperbatterien für Fahrzeuge. Einige dieser Unternehmen planen nun, diese Technologie bis Ende 2024 auf den Massenmarkt zu bringen.

Elektrolyt in einer Lithium-Ionen-Batterie

Wissenschaftler suchen immer noch nach der perfekten Lithium-Ionen-Batterie. Sie wollen, dass es eine hohe Energiedichte hat und auch sicher in der Anwendung ist. Viele derzeit verwendete Batterien enthalten flüssige Elektrolyte, die brennbar sein können. Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien bestehen vollständig aus festen Komponenten und können sicherer in der Anwendung sein. Neue Forschungen haben zur Entwicklung eines neuen Festelektrolyten geführt.

Ein Vorteil von Festkörperbatterien ist ihre Tieftemperaturleistung. Flüssigelektrolyte vertragen keine hohen Temperaturen, Festelektrolyte schon. Der Festelektrolyt unterstützt auch schnelle Ladevorgänge ohne Degradation. Es erfordert auch weniger Material und Energie zur Herstellung. Festkörperbatterien können nur dann bewiesen werden, wenn sie in Serie hergestellt werden können.

Festkörper-Lithiumbatterien haben einen ähnlichen Extraktionsmechanismus wie Lithium-Ionen-Batterien. Die Elektroden bestehen aus Metall und der Elektrolyt ist ein flüssiges oder festes Material. Lithiumionen bewegen sich durch den Elektrolyten, wodurch ein elektrischer Fluss entsteht.

Festelektrolyte benötigen keinen Separator.

Ein weiterer Nachteil von Festkörperbatterien sind ihre hohen Kosten. Sie sind zwar billiger als Flüssigbatterien, werden aber noch nicht in Massenproduktion hergestellt. Der Festelektrolyt muss zwischen den beiden Elektroden chemisch inert und ein guter Ionenleiter sein. Der andere Nachteil von Festkörperbatterien ist, dass sie eine kürzere Lebensdauer haben als ihre Pendants in flüssigem Zustand.

Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie

Es wird angenommen, dass Festkörper-Lithiumbatterien ein geringeres Brandrisiko haben und weniger Sicherheitsausrüstung erfordern. Sie haben auch den Vorteil, Lithium-Metall-Anoden für eine hohe Energiedichte verwenden zu können. Derzeit erforschen und entwickeln mehr als fünfzig Unternehmen Festkörperbatterien. Einige haben sogar angegeben, dass sie proprietäre Festkörperelektrolyttechnologien entwickeln. Auch Automobilhersteller und große Batteriehersteller haben in diese neue Technologie investiert.

Ein Hauptnachteil von Festkörperbatterien ist die Grenzflächeninstabilität von Elektrode und Elektrolyt. Dies führt zu einer passivierten Zwischenschicht, die die Diffusion von Li+ über die Elektrode-SSE-Grenzfläche behindert. Außerdem kann Hochspannungszyklen die SSE abbauen, wodurch sie oxidiert.

Graphit hat in der Vergangenheit als Anode für Lithium-Ionen-Batterien gedient, aber Startup-Unternehmen entwickeln jetzt Alternativen, die eine bessere Leistung erbringen. Silizium, ein gängiges Ausgangsmaterial, das in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, hat eine viel höhere Energiedichte pro Volumen als Graphit.

Lithiummetallanoden werden auch für Festkörper-Lithiumbatterien verfügbar. Lithium-Metall-Anoden können mit hoher Energiedichte und erhöhter Kapazität hergestellt werden.