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Festkörperbatterien: die Batterieroute der nächsten Generation

29 Dezember, 2021

By hoppt

Festkörperbatterien

Festkörperbatterien: die Batterieroute der nächsten Generation

Am 14. Mai plant Samsung laut "The Korea Times" und anderen Medienberichten eine Zusammenarbeit mit Hyundai bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen und der Bereitstellung von Power-Batterien und anderen vernetzten Autoteilen für Hyundai-Elektrofahrzeuge. Die Medien sagen voraus, dass Samsung und Hyundai in Kürze eine unverbindliche Absichtserklärung zur Batterieversorgung unterzeichnen werden. Es wird berichtet, dass Samsung Hyundai seine neueste Solid-State-Batterie vorgestellt hat.

Laut Samsung kann ein Elektroauto bei vollständig aufgeladenem Batterie-Prototyp mehr als 800 Kilometer am Stück fahren, mit einer Batterielebensdauer von mehr als 1,000 Zyklen. Sein Volumen ist 50 % kleiner als ein Lithium-Ionen-Akku gleicher Kapazität. Aus diesem Grund gelten Festkörperbatterien als die am besten geeigneten Power-Batterien für Elektrofahrzeuge in den nächsten zehn Jahren.

Anfang März 2020 veröffentlichten das Samsung Institute for Advanced Study (SAIT) und das Samsung Research Center of Japan (SRJ) in der Zeitschrift „Nature Energy“ „High-Energy Long-Cycled All-Solid-State Lithium Metal Batterys Enabled by Silver“. -Carbon Composite Anodes“ stellte ihre neuste Entwicklung im Bereich der Festkörperbatterien vor.

Diese Batterie verwendet einen festen Elektrolyten, der bei hohen Temperaturen nicht entflammbar ist und auch das Wachstum von Lithiumdendriten hemmen kann, um Durchschlagkurzschlüsse zu vermeiden. Darüber hinaus verwendet es eine Silber-Kohlenstoff-Verbundschicht (Ag-C) als Anode, die die Energiedichte auf 900 Wh/L erhöhen kann, eine lange Lebensdauer von mehr als 1000 Zyklen und eine sehr hohe Coulomb-Effizienz (Charge und Entladungseffizienz) von 99.8 %. Es kann die Batterie nach einer einzigen Zahlung fahren. Das Auto hat 800 Kilometer zurückgelegt.

Die SAIT und SRJ, die das Papier veröffentlicht haben, sind jedoch eher wissenschaftliche Forschungseinrichtungen als Samsung SDI, das sich auf Technologie konzentriert. Der Artikel erläutert nur das Prinzip, den Aufbau und die Leistung der neuen Batterie. Es wird vorläufig davon ausgegangen, dass sich die Batterie noch im Laborstadium befindet und in kurzer Zeit nur schwer in Massenproduktion hergestellt werden kann.

Der Unterschied zwischen Festkörperbatterien und herkömmlichen flüssigen Lithium-Ionen-Batterien besteht darin, dass anstelle von Elektrolyten und Separatoren Festelektrolyte verwendet werden. Es ist nicht erforderlich, Lithium-interkalierte Graphitanoden zu verwenden. Stattdessen wird metallisches Lithium als Anode verwendet, was die Anzahl der Anodenmaterialien reduziert. Power-Akkus mit höherer Körperenergiedichte (>350Wh/kg) und längerer Lebensdauer (>5000 Zyklen), sowie Sonderfunktionen (zB Flexibilität) und weiteren Anforderungen.

Zu den neuen Systembatterien gehören Festkörperbatterien, Lithium-Flow-Batterien und Metall-Luft-Batterien. Die drei Festkörperbatterien haben ihre Vorteile. Polymerelektrolyte sind organische Elektrolyte und Oxide und Sulfide sind anorganische Keramikelektrolyte.

Betrachtet man die globalen Festkörperbatterieunternehmen, so gibt es Start-ups, aber auch internationale Hersteller. Die Unternehmen sind allein im Elektrolytsystem mit unterschiedlichen Überzeugungen, und es gibt keinen Trend zum Technologiefluss oder zur Integration. Gegenwärtig befinden sich einige technische Routen nahe an den Bedingungen der Industrialisierung, und der Weg zur Automatisierung von Festkörperbatterien ist im Gange.

Europäische und amerikanische Unternehmen bevorzugen Polymer- und Oxidsysteme. Das französische Unternehmen Bolloré übernahm die Führung bei der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien auf Polymerbasis. Im Dezember 2011 betraten seine Elektrofahrzeuge, die mit 30-kWh-Festkörper-Polymerbatterien + elektrischen Doppelschichtkondensatoren betrieben wurden, den Markt für gemeinsam genutzte Autos, was das erste Mal weltweit war. Kommerzielle Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge.

Sakti3, ein Hersteller von Dünnschichtoxid-Festkörperbatterien, wurde 2015 vom britischen Haushaltsgeräteriesen Dyson übernommen. Es unterliegt den Kosten der Dünnschichtherstellung und der Schwierigkeit der Massenproduktion, und es gab keine Masse Produktionsprodukt für eine lange Zeit.

Maxwells Plan für Festkörperbatterien ist es, zunächst in den Markt für kleine Batterien einzutreten, sie 2020 in Massenproduktion herzustellen und sie 2022 im Bereich der Energiespeicherung einzusetzen. Im Interesse einer schnellen kommerziellen Anwendung könnte Maxwell zunächst in Betracht ziehen, Halbbatterien auszuprobieren. Feststoffbatterien kurzfristig. Semi-Solid-Batterien sind jedoch teurer und werden hauptsächlich in bestimmten Nachfragebereichen eingesetzt, was Anwendungen im großen Maßstab erschwert.

Nicht-Dünnschichtoxid-Produkte haben eine hervorragende Gesamtleistung und sind derzeit in der Entwicklung beliebt. Sowohl Taiwan Huineng als auch Jiangsu Qingdao sind bekannte Spieler auf dieser Strecke.

Japanische und koreanische Unternehmen engagieren sich stärker für die Lösung der Industrialisierungsprobleme des Sulfidsystems. Repräsentative Unternehmen wie Toyota und Samsung haben ihren Einsatz beschleunigt. Sulfidische Festkörperbatterien (Lithium-Schwefel-Batterien) haben aufgrund ihrer hohen Energiedichte und geringen Kosten ein enormes Entwicklungspotenzial. Unter ihnen ist die Technologie von Toyota die fortschrittlichste. Es veröffentlichte Demo-Batterien auf Ampere-Niveau und elektrochemische Leistung. Gleichzeitig verwendeten sie auch LGPS mit höherer Leitfähigkeit bei Raumtemperatur als Elektrolyt, um einen größeren Batteriepack herzustellen.

Japan hat ein landesweites Forschungs- und Entwicklungsprogramm gestartet. Die vielversprechendste Allianz sind Toyota und Panasonic (Toyota hat fast 300 Ingenieure, die an der Entwicklung von Festkörperbatterien beteiligt sind). Es sagte, es würde Festkörperbatterien innerhalb von fünf Jahren kommerzialisieren.

Der von Toyota und NEDO entwickelte Kommerzialisierungsplan für Festkörperbatterien beginnt mit der Entwicklung von Festkörperbatterien (Batterien der ersten Generation) unter Verwendung bestehender LIB-Upbeat- und schädlicher Materialien. Danach werden neue positive und negative Materialien verwendet, um die Energiedichte zu erhöhen (Batterien der nächsten Generation). Toyota wird voraussichtlich 2022 Prototypen von Festkörper-Elektrofahrzeugen produzieren und 2025 in einigen Modellen Festkörperbatterien verwenden. 2030 kann die Energiedichte 500 Wh/kg erreichen, um Anwendungen in der Massenproduktion zu erreichen.

Unter den 20 Patentanmeldern für Festkörper-Lithiumbatterien entfielen aus der Sicht der Patente 11 japanische Unternehmen. Toyota meldete die meisten an und erreichte 1,709, 2.2-mal mehr als der Zweitplatzierte Panasonic. Die Top-10-Unternehmen sind alle japanisch und südkoreanisch, darunter 8 in Japan und 2 in Südkorea.

Aus der Perspektive des globalen Patentlayouts der Patentinhaber sind Japan, die Vereinigten Staaten, China, Südkorea und Europa die wichtigsten Länder oder Regionen. Zusätzlich zu den lokalen Anmeldungen hat Toyota mit 14.7 % bzw. 12.9 % der gesamten Patentanmeldungen die bedeutendste Zahl an Anmeldungen in den Vereinigten Staaten und China.

Auch die Industrialisierung von Festkörperbatterien in meinem Land wird ständig erforscht. Gemäß dem technischen Routenplan Chinas wird China im Jahr 2020 schrittweise Festelektrolyte, die Synthese von Kathodenmaterialien mit hoher spezifischer Energie und die Konstruktionstechnologie für Lithiumlegierungen mit dreidimensionalen Rahmenstrukturen realisieren. Es wird die Musterfertigung von Einzelbatterien mit 300 Wh/kg kleiner Kapazität anerkennen. Im Jahr 2025 wird die Festkörperbatterie-Schnittstellensteuerungstechnologie eine Einzelbatterie-Muster- und Gruppentechnologie mit 400 Wh/kg großer Kapazität realisieren. Es wird erwartet, dass Festkörperbatterien und Lithium-Schwefel-Batterien im Jahr 2030 in Serie produziert und gefördert werden können.

Zu den Batterien der nächsten Generation im IPO-Fundraising-Projekt von CATL gehören Festkörperbatterien. Laut Berichten der NE Times rechnet CATL damit, die Massenproduktion von Festkörperbatterien bis mindestens 2025 zu erreichen.

Insgesamt ist die Polymersystemtechnologie am ausgereiftesten, und das erste Produkt auf EV-Niveau wird geboren. Sein konzeptioneller und zukunftsorientierter Charakter hat die Beschleunigung der Investitionen in Forschung und Entwicklung durch Nachzügler ausgelöst, aber die obere Leistungsgrenze schränkt das Wachstum ein, und das Compoundieren mit anorganischen Festelektrolyten wird in Zukunft eine mögliche Lösung sein; Oxidation; Im Materialsystem konzentriert sich die Entwicklung von Dünnschichttypen auf Kapazitätserweiterung und Großproduktion, und die Gesamtleistung von Nichtfilmtypen ist besser, was im Mittelpunkt der aktuellen Forschung und Entwicklung steht; Sulfid-System ist das vielversprechendste Festkörperbatteriesystem im Bereich Elektrofahrzeuge, aber in einer polarisierten Situation mit massivem Wachstumsspielraum und unausgereifter Technologie steht die Lösung von Sicherheitsproblemen und Schnittstellenproblemen im Fokus der Zukunft.

Zu den Herausforderungen von Festkörperbatterien gehören vor allem:

  • Kosten senken.
  • Verbesserung der Sicherheit von Festelektrolyten.
  • Aufrechterhaltung des Kontakts zwischen Elektroden und Elektrolyten während des Ladens und Entladens.

Lithium-Schwefel-Batterien, Lithium-Luft und andere Systeme müssen den gesamten Batteriestrukturrahmen ersetzen, und es gibt immer größere Probleme. Die positiven und negativen Elektroden von Festkörperbatterien können weiterhin das derzeitige System verwenden, und der Realisierungsaufwand ist relativ gering. Als Batterietechnologie der nächsten Generation haben Festkörperbatterien eine höhere Sicherheit und Energiedichte und werden in der Post-Lithium-Ära der einzige Weg sein.

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