Was ist der Unterschied zwischen einer halbfesten Batterie und einer Festkörperbatterie?
Was ist eine Semi-Solid-State-Batterie?
Semi-Solid-State-Batterien verwenden eine Hybridkonstruktion aus festem und flüssigem Elektrolyt. Die Elektrode auf einer Seite der Batterie enthält keinen flüssigen Elektrolyten und die Elektrode auf der anderen Seite enthält einen flüssigen Elektrolyten.
Das Verhältnis von festem Elektrolyt zu flüssigem Elektrolyt ist nicht eins zu eins, sondern wird nach dem Anteil des flüssigen Elektrolyts in der Batteriezelle unterteilt: flüssig (25wt%), halbfest (5-10wt%), quasi fest (0-5wt%) und ganz fest (0wt%)
Im Vergleich zu den bestehenden Lithium-Ionen-Batterien sind die halbfesten Batterien kleiner, stabiler und sicherer, erreichen eine höhere Energiedichte und sind viel billiger als Lithium-Ionen-Batterien.
Was ist der Unterschied zwischen einer halbfesten Batterie und einer Vollbatterie?
Halbe Festkörperbatterien sind nicht alle Festkörperbatterien. Alle Festkörperbatterien sind 100% frei von flüssigem Elektrolyt. Obwohl Semi-Solid-State-Batterie und Solid-State-Batterie im Prinzip ähnlich sind, gibt es erhebliche Unterschiede zwischen ihnen:
Elektrolyt-Materialien
Halbstarke Batterien: verwenden eine Kombination aus teilweise festen und teilweise flüssigen Elektrolyten. Der feste Elektrolyt ist in der Regel ein Keramik- oder Polymermaterial, während der flüssige Elektrolyt ein herkömmlicher Flüssigelektrolyt ist. Diese Kombination kann die ionische Leitfähigkeit und die Grenzflächenstabilität der Batterie verbessern.
Vollsolide Batterien: verwenden feste Elektrolyte ganz ohne flüssige Bestandteile. Feste Elektrolyte können Keramiken, Polymere oder andere feste Materialien sein, die sich durch hohe Stabilität und Sicherheit auszeichnen.
Sicherheit
Halbstarke Batterien: Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien mit flüssigen Elektrolyten wird die Sicherheit verbessert, da teilweise feste Elektrolyte das Risiko des Auslaufens von flüssigen Elektrolyten verringern können. Da sie jedoch immer noch flüssige Komponenten enthalten, ist ihre Sicherheit nicht so gut wie die von Feststoffbatterien.
Vollsolide Batterien: Da ausschließlich feste Elektrolyte verwendet werden, ist das Risiko des Auslaufens und der Verbrennung von flüssigen Elektrolyten ausgeschlossen und die Sicherheit ist am höchsten.
Energiedichte
Halbstarke Batterien: haben eine höhere Energiedichte, da teilweise feste Elektrolyte die Gesamtstabilität sowie die Lade- und Entladeeffizienz der Batterie verbessern können. Da sie aber immer noch flüssige Komponenten enthalten, ist die Energiedichte nicht so hoch wie die von vollständig festen Batterien.
Vollsolide Batterien: Durch die vollständige Verwendung von Festelektrolyten kann eine höhere Energiedichte erreicht werden, und die potenzielle Energiedichte übertrifft bei weitem die herkömmlicher Batterien mit flüssigen Elektrolyten und halbfesten Batterien.
Herstellung und Kosten
Semi-Solid-State-Batterie: Der Produktionsprozess ist relativ einfach, denn ein Teil des Herstellungsprozesses kann in der bestehenden Produktionslinie für Flüssigelektrolytbatterien verwendet werden, so dass die Kosten niedriger sind als die einer Festkörperbatterie.
Festkörperbatterie: Der Herstellungsprozess ist komplex und die Technologie ist schwierig. Die Produktionskosten sind derzeit hoch, aber mit dem Fortschritt der Technologie und der Massenproduktion werden die Kosten voraussichtlich sinken.
Was sind die Vorteile von halbfesten Batterien?
1. Hohe Energiedichte
Die Obergrenze der Energiedichte von flüssigen Lithium-Ionen-Batterien wird allgemein mit etwa 300Wh/kg-400Wh/kg angegeben. Die theoretische Energiedichte von Festkörperbatterien beträgt bis zu 700Wh/kg und ist damit fast doppelt so hoch wie die Daten der derzeit fortschrittlichsten Lithiumbatterien.
2. Überwindung des Problems der Temperaturabschwächung
Feste Elektrolyte werden in halbfesten Batterien verwendet, und feste Elektrolyte beeinträchtigen die Batterieleistung bei niedrigen Temperaturen nicht. Dadurch wird das Problem der reduzierten Batterielebensdauer im Winter für reine Elektrofahrzeuge effektiv gelöst.
3. Höhere Sicherheit
Halbfeste Batterien oder Festkörperbatterien enthalten keine flüssigen Substanzen oder die flüssigen Substanzen sind stark reduziert. Wenn sie beschädigt oder durchstochen werden, wird eine spontane Verbrennung oder Explosion wirksam verhindert.
4. Längere Lebensdauer
Nach den verfügbaren Daten hat die aktuelle halbfeste Batterie eine Kapazitätserhaltungsrate von mehr als 85% nach 2.000 Zyklen bei Raumtemperatur. Unter den gleichen Bedingungen haben gewöhnliche Flüssigbatterien eine Kapazitätserhaltungsrate von nur etwa 80% nach 1.200 Zyklen.
Woher kommt die Semi-Solid-State-Batterietechnologie?
Die Semi-Solid-State-Technologie ist eher ein Zwischenprodukt bei der Erforschung von All-Solid-State-Batterien. Festkörper-Batterien haben noch viele Probleme in Bezug auf Umfang, Kommerzialisierung und Kosten.
Viele Batterieunternehmen entscheiden sich dafür, zunächst die Forschung und Entwicklung von Semi-Solid-State-Batterien zu beschleunigen. Trotzdem gibt es immer noch einige Leute, die glauben, dass Solid-State-Batterien letztendlich schwer zu vermarkten sein werden, und Semi-Solid-State-Batterien sind bereits die ultimative Lösung für Elektrofahrzeuge.
Am 17. Dezember 2023 übertrug NIO live die Verwendung einer 150-kWh-Semi-Solid-State-Batterie, um eine Herausforderung von 1.000 km Reichweite zu bewältigen.
Nach den derzeit veröffentlichten technischen Informationen ist der Festelektrolyt, der in Festkörperbatterien verwendet wird, auf seltene Metalle und komplexe Prozesse angewiesen, was der Hauptgrund für die Kosten ist.
Semi-Solid-State-Batterien unterscheiden sich von ausgereiften Lithiumbatterien nur in etwa 20% des Prozesses. Sie basieren auf der Umwandlung bestehender Batterieproduktionslinien und können schneller in Massenproduktion hergestellt werden. Daher ist die Semi-Solid-State-Technologie in Bezug auf die wirtschaftliche Effizienz und die Industrialisierungsgeschwindigkeit derzeit die beste Lösung für Unternehmen.
Wie Semi-Solid-State-Batterien funktionieren
Wie alle Batterien geben auch halbfeste Batterien Strom durch chemische Reaktionen zwischen positiven und negativen Elektrodenmaterialien ab. Halbfeste Batterien haben in der Regel Elektrolyte, die eher einem Gel ähneln. In herkömmlichen Lithiumbatterien sind die positiven und negativen Elektroden "Energielager" und der Elektrolyt ist wie ein "Kanal", der es den Lithiumionen ermöglicht, sich frei zwischen den positiven und negativen Elektroden zu bewegen. Daher wird sie auch als Flüssigbatterie bezeichnet.
Semi-Solid-Batterien haben Innovationen bei den Elektrodenmaterialien hervorgebracht. Sie verwenden als Elektrodenmaterial "Schlamm", der durch Mischen feiner Lithiumverbindungspartikel mit flüssigem Elektrolyt entsteht. Dieses Hybriddesign ermöglicht es der Batterie, die hohe Sicherheit von Festkörperbatterien beizubehalten und gleichzeitig die hohe Ionenübertragungsrate von Flüssigbatterien zu nutzen.
Ist Semi-Solid bereits im Handel erhältlich?
Einige Unternehmen haben mit der Produktion in kleinem Maßstab begonnen und wenden sie auf Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeuge an.
Die chinesische Automarke Zhiji zum Beispiel hat dieses Mal eine Semi-Solid-State-Batterie auf den Markt gebracht. Laut der offiziellen Beschreibung enthält die Batterie sowohl feste als auch flüssige Elektrolyte.
In der Tat ist Zhiji nicht das erste Unternehmen, das Semi-Solid-State-Batterien für neue Energiefahrzeuge einsetzt. Ende letzten Jahres führte NIO einen Langzeittest mit dem NIO ET7 durch, der mit einer 150-kWh-Semi-Solid-State-Batterie ausgestattet war, und die tatsächliche Reichweite betrug mehr als 1044 km.
Es gibt jedoch noch keine Anwendungen, die Semi-Solid-State-Batterien verwenden, die man kaufen kann. Erst im April 2024 hat NIO eine Mietaktion für 150 kWh Semi-Solid-State-Batterien gestartet.
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