Seit der Kommerzialisierung im Jahr 1991 haben Lithium-Ionen-Batterien einen weltweiten Erfolg erzielt. Dies kann jedoch ihre intrinsischen Einschränkungen in Bezug auf Sicherheit, Leistung, Formfaktor und Kosten nicht verbergen.Die meisten aktuellen Lithium-Ionen-Technologien verwenden flüssigen Elektrolyten mit Lithiumsalzen wie LiPF6, LiBF4 oder LiClO4 in einem organischen Lösungsmittel. Die Festelektrolytgrenzfläche, die durch die Deszusammensetzung des Elektrolyten an der negativen Elektrode verursacht wird, begrenzt jedoch die effektive Leitfähigkeit. Darüber hinaus benötigt flüssiger Elektrolyt teure Membranen zur Trennung von Kathode und Anode sowie ein undurchlässiges Gehäuse, um Leckagen zu vermeiden. Daher sind die Größen- und Designfreiheit für diese Batterien eingeschränkt. Darüber hinaus haben flüssige Elektrolyte Sicherheits- und Gesundheitsprobleme, da sie brennbare und korrosive Flüssigkeiten verwenden. Samsungs Firegate hat besonders die Risiken hervorgehoben, die selbst große Unternehmen eingehen, wenn brennbare flüssige Elektrolyte verwendet werden.Aktuelle High-End-Lithium-Ionen-Batterien können auf Zellebene eine Energiedichte von über 700 Wh/L erreichen, bei einer maximalen Reichweite von etwa 500 Km für Elektrofahrzeuge. Die Hochnickelkathodenmaterialien, die verbessert werden, können die Energiedichte weiter erhöhen, aber die Eigenschaften der aktiven Materialien können eine Schwelle ziehen.

Festkörperbatterien können das Spiel verändern

Festkörperelektrolyt ermöglicht die Integration leistungsfähigerer Materialien wie Lithiummetall und Hochspannungskathodenmaterialien. Es wurde jedoch beobachtet, dass die Festkörperbatterien der frühen Generation ähnliche Arten von aktiven Elektrodenmaterialien enthalten können, wobei der flüssige Elektrolyt durch Festkörperelektrolyt ersetzt wird. In diesem Fall haben Festkörperbatterien keinen offensichtlichen Vorteil gegenüber Lithium-Ionen-Batterien auf Flüssigkeitsbasis in Bezug auf die Energiedichte.

Festkörperbatterien liefern in diesem Fall jedoch immer noch Werte. Da sowohl die Elektroden als auch der Elektrolyt fest sind, verhält sich der Festelektrolyt auch als Separator, was eine Volumen- und Gewichtsreduzierung aufgrund des Wegfalls bestimmter Komponenten (z. B. Separator und Gehäuse) ermöglicht. Sie ermöglichen eine kompaktere Anordnung der Zellen im Akkupack. Zum Beispiel ermöglicht die bipolare Anordnung eine höhere Spannung und Kapazität auf Zellebene. Die vereinfachte Verbindung bietet zusätzlichen Platz im Akkupack für mehr Zellen.Darüber hinaus kann die Entfernung brennbarer flüssiger Elektrolyte ein Weg für sicherere, langlebigere Batterien sein, da sie widerstandsfähiger gegen Temperaturänderungen und physische Schäden sind, die während des Gebrauchs auftreten. Festkörperbatterien können vor dem Abbau mehr Lade- / Entladezyklen bewältigen und versprechen eine längere Lebensdauer. Bessere Sicherheit bedeutet weniger Sicherheitsüberwachungselektronik in den Batteriemodulen/-packs.Daher können auch die ersten Generationen von Festkörperbatterien eine ähnliche oder sogar geringere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien aufweisen, die im Batteriepack verfügbare Energie kann vergleichbar oder sogar höher sein als letztere.

Mit dem größeren elektrochemischen Fenster, das die Festelektrolyte bieten können, können Hochspannungskathodenmaterialien verwendet werden. Darüber hinaus kann die Lithiummetallanode mit hoher Energiedichte die Energiedichte weiter über 1.000 Wh / L hinaus erhöhen.

Konkurrierende Technologien erschweren die Entscheidung

Investitionen in verschiedene Festkörperbatteriehersteller spiegelten das enorme Potenzial von Festkörperbatterien wider. Festkörperbatterien basieren jedoch nicht nur auf einer einzigen Technologie. Stattdessen gibt es in der Branche mehrere Technologieansätze. Festkörperelektrolyte können grob in drei Kategorien unterteilt werden: organische Typen, anorganische Typen und Verbundstoffe. Innerhalb der anorganischen Kategorie werden LISICON-ähnliche, Argyrodite, Granat, NASICON-ähnliche, Perowskit, LiPON, Li-Hydrid und Li-Halogenid als 8 beliebte Typen angesehen. LISICON-like und Argyrodite gehören zum Sulfidsystem, während Granat, NASICON-like, Perowskit und LiPON auf dem Oxidsystem basieren.

Der Wettlauf zwischen Polymer-, Oxid- und Sulfidsystemen ist bisher unklar und es ist üblich, dass Batteriefirmen mehrere Ansätze ausprobieren. polymersysteme sind leicht zu verarbeiten und stehen der Kommerzialisierung am nächsten, während die relativ hohe Betriebstemperatur, das niedrige Oxidschutzpotential und die schlechtere Stabilität auf Herausforderungen hinweisen. Sulfidelektrolyte haben die Vorteile einer hohen Ionenleitfähigkeit, einer niedrigen Verarbeitungstemperatur, eines breiten elektrochemischen Stabilitätsfensters usw. Viele Funktionen machen sie attraktiv und werden von vielen als die ultimative Option angesehen. Die Schwierigkeit der Herstellung und das dabei entstehende toxische Nebenprodukt machen die Kommerzialisierung jedoch relativ langsam. Oxidsystem sind stabil und sicher, während der höhere Schnittstellenwiderstand und die hohe Verarbeitungstemperatur im Allgemeinen einige Schwierigkeiten zeigen.

In diesem Bericht werden detaillierte Technologien vorgestellt, analysiert und verglichen. Um ein besseres Verständnis von Festkörperbatterietechnologien, Akteuren, Märkten, Chancen, Herausforderungen und mehr zu erhalten, lesen Sie bitte den Bericht von IDTechEx „Festkörper- und Polymerbatterien 2020-2030: Technologie, Patente, Prognosen, Akteure“, www.IDTechEx.com/SSB oder für das gesamte Portfolio der Energiespeicherforschung von IDTechEx besuchen Sie bitte www.IDTechEx.com/Research/ES .

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