Die Leistung mobiler Technologien nimmt exponentiell zu, aber die Batterietechnologie hält nicht mit. Wir stoßen an die physikalischen Grenzen herkömmlicher Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Designs. Die Lösung könnte eine sogenannte Festkörperbatterie sein.
Was ist eine Festkörperbatterie?
Bei einem herkömmlichen Batteriedesign - am häufigsten Lithium-Ionen - werden zwei feste Metallelektroden verwendet, wobei ein flüssiges Lithiumsalz als Elektrolyt fungiert. Ionenpartikel bewegen sich von einer Elektrode (der Kathode) zur anderen (der Anode), wenn sich die Batterie auflädt, und umgekehrt, wenn sie sich entlädt. Der flüssige Lithiumsalzelektrolyt ist das Medium, das diese Bewegung ermöglicht. Wenn Sie jemals gesehen haben, dass eine Batterie korrodiert oder durchstochen wird, ist die „Batteriesäure“, die austritt (oder manchmal explodiert), der flüssige Elektrolyt.
In einer Festkörperbatterie sind sowohl die positive als auch die negative Elektrode und der Elektrolyt zwischen ihnen feste Metallstücke, Legierungen oder ein anderes synthetisches Material. Der Begriff "Festkörper" erinnert Sie möglicherweise an SSD-Datenlaufwerke und das ist kein Zufall. Solid-State-Speicherlaufwerke verwenden einen Flash-Speicher, der sich nicht bewegt, im Gegensatz zu einer Standardfestplatte, die Daten auf einer sich drehenden Magnetplatte speichert, die von einem winzigen Motor angetrieben wird.
Obwohl es die Idee von Festkörperbatterien seit Jahrzehnten gibt, stehen Fortschritte in ihrer Entwicklung erst am Anfang, die derzeit durch Investitionen von Elektronikunternehmen, Autoherstellern und allgemeinen Industrieanbietern vorangetrieben werden.
Was ist besser an Festkörperbatterien?
Festkörperbatterien versprechen gegenüber ihren mit Flüssigkeit gefüllten Cousins einige deutliche Vorteile: bessere Akkulaufzeit, schnellere Ladezeiten und ein sichereres Erlebnis.
Festkörperbatterien komprimieren Anode, Kathode und Elektrolyt in drei flache Schichten, anstatt die Elektroden in einem flüssigen Elektrolyten zu suspendieren. Das heißt, Sie können sie kleiner oder zumindest flacher machen, während Sie so viel Energie wie eine größere Batterie auf Flüssigkeitsbasis halten. Wenn Sie also den Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akku in Ihrem Telefon oder Laptop durch einen Festkörperakku gleicher Größe ersetzen, wird die Ladung viel länger. Alternativ können Sie ein Gerät mit derselben Ladung viel kleiner oder dünner machen.
Festkörperbatterien sind auch sicherer, da keine giftige, brennbare Flüssigkeit verschüttet werden kann und sie nicht so viel Wärme abgeben wie herkömmliche wiederaufladbare Batterien. Bei Batterien, die Stromelektronik oder sogar Elektroautos antreiben, können sie sich auch viel schneller aufladen - Ionen können sich viel schneller von der Kathode zur Anode bewegen.
Nach neuesten Forschungsergebnissen könnte eine Festkörperbatterie herkömmliche wiederaufladbare Batterien um 500% oder mehr in Bezug auf die Kapazität übertreffen und sich in einem Zehntel der Zeit aufladen.
Was sind die Nachteile?
Da Festkörperbatterien eine aufstrebende Technologie sind, sind ihre Herstellung unglaublich teuer. Tatsächlich so teuer, dass sie zum Zeitpunkt des Schreibens in keiner größeren Unterhaltungselektronik installiert sind. In 2012, Analysten, die für die Abteilung Softwareanalyse und erweiterte Materialverarbeitung der Universität von Florida schreiben Schätzungen zufolge würde die Herstellung eines typischen Festkörperakkus in Handygröße etwa 15.000 US-Dollar kosten. Ein Elektroauto, das groß genug ist, um ein Elektroauto anzutreiben, würde 100.000 Dollar kosten.
Ein Teil davon ist darauf zurückzuführen, dass Skaleneffekte nicht vorhanden sind. Derzeit werden jedes Jahr Hunderte Millionen wiederaufladbarer Batterien hergestellt, sodass sich die Herstellungskosten der Materialien und Geräte auf große Versorgungsleitungen verteilen. Es gibt nur wenige Unternehmen und Universitäten, die Festkörperbatterien erforschen, daher sind die Kosten für die Herstellung der einzelnen Batterien astronomisch.
Ein weiteres Problem sind die Materialien. Obwohl die Eigenschaften verschiedener Metalle, Legierungen und Metallsalze, die für herkömmliche wiederaufladbare Batterien verwendet werden, bekannt sind, kennen wir derzeit nicht die beste chemische und atomare Zusammensetzung für einen Festelektrolyten zwischen Metallanoden und Kathoden. Aktuelle Forschungen schränken dies ein, aber wir müssen zuverlässigere Daten sammeln, bevor wir die Materialien sammeln oder synthetisieren und in Herstellungsprozesse investieren können.
Wann darf ich eine Festkörperbatterie verwenden?
Wie bei allen neuen Technologien ist es bestenfalls eine Vermutung, herauszufinden, wann Sie sie in die Hände bekommen.
Es ist ermutigend, dass viele enorme Unternehmen in die Forschung investieren, die erforderlich ist, um Festkörperbatterien auf den Verbrauchermarkt zu bringen, aber es ist schwer zu sagen, ob es in der unmittelbaren Zukunft einen großen Durchbruch geben wird. Mindestens eine Autofirma sagt, dass es bereit sein wird, bis 2023 einen in ein Fahrzeug zu setzen, ahnt aber nicht, wie viel dieses Auto kosten könnte. Fünf Jahre scheinen zu optimistisch; zehn Jahre scheinen wahrscheinlicher. Es kann zwanzig Jahre oder länger dauern, bis die Materialien festgelegt und die Herstellungsverfahren entwickelt sind.
Aber wie wir am Anfang des Artikels sagten, stößt die konventionelle Batterietechnologie an eine Wand. Und es gibt nichts Schöneres als potenzielle Verkäufe, die Forschung und Entwicklung ankurbeln. Es ist zumindest geringfügig (sehr, sehr geringfügig) möglich, dass Sie bald ein Gerät verwenden oder ein Auto fahren können, das mit einer Festkörperbatterie betrieben wird.
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