Was sind Solid-State-Batterien?
Für diejenigen, die sich für die Batterieindustrie interessieren, ist der Begriff "Solid-State-Batterie" ist sicherlich bekannt. Diese neue Technologie gilt als Upgrade für Lithiumbatterien, das die Lebensdauer der aktuellen Batterien um ein Vielfaches verlängern kann.
Vor allem in der Elektroautoindustrie werden Festkörperbatterien als Schlüssel zur Revolutionierung des Sektors angesehen. Stellen Sie sich ein Elektroauto vor, das 1000 km weit fahren kann und nur fünfzehn Minuten braucht, um vollständig aufgeladen zu sein - wie verlockend ist das?
Dieses Potenzial hat zu einem intensiven Wettbewerb zwischen allen Batterieherstellern in diesem Bereich geführt. Was also macht Festkörperbatterien so magisch? Bitte lesen Sie den folgenden Artikel, um ein umfassendes Verständnis von Festkörperbatterien zu erhalten.
Was ist eine Solid-State-Batterie?
Das Konzept der Festkörperbatterie wurde erstmals vom britischen Wissenschaftler Michael Faraday vorgestellt. Doch mehr als ein Jahrhundert lang schienen Festelektrolyte von der Bühne der Geschichte zu verschwinden und aus dem Blickfeld der Menschen zu geraten. Zu Beginn dieses Jahrhunderts machte die Menschheit leise dort weiter, wo Faraday vor mehr als 100 Jahren aufgehört hatte, und begann erneut mit der Erforschung von Festelektrolyten.
Der größte Unterschied zwischen Solid-State-Batterien und Lithium-Batterien ist die SSB ohne flüssige oder Gel-Elektrolyte. Stattdessen verwenden Festkörperbatterien Glasverbindungen aus Lithium oder Natrium als feste Elektrolyte, durch die Lithiumionen wandern. In Feststoffen ist die Ionenleitfähigkeit relativ hoch und das Risiko des Auslaufens und der Gasbildung wird minimiert, was die Sicherheit und Energiedichte der Batterie erhöht.
Warum Festkörperbatterien entwickeln?
In der Batterieindustrie wird davon ausgegangen, dass flüssige Lithiumbatterien, ob Lithium-Eisenphosphat- oder ternäre Lithiumbatterien, ihre "Grenzen" erreicht haben. Es ist immer schwieriger geworden, neue Durchbrüche in der Technologie zu erzielen. Das bedeutet, dass neue Technologien entwickelt werden müssen, um Batterien mit höherer Kapazität und kleinerem Volumen zu erhalten.
Gleichzeitig können Festkörperbatterien die großen Sicherheitsrisiken von Lithium-Ionen-Batterien grundlegend beseitigen. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien können sich selbst entzünden oder explodieren, da sie entflammbare und flüchtige organische Elektrolyte enthalten.
Darüber hinaus können Probleme wie Elektrolytkorrosion, Verflüchtigung und Auslaufen ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko für das Batteriesystem darstellen. Feste Elektrolytesind dagegen von Natur aus nicht entflammbar, hitzebeständig, nicht korrosiv und nicht flüchtig. Sie bieten im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolyten eine bessere mechanische Festigkeit, thermische Stabilität und elektrochemische Stabilität, wodurch die Sicherheit erheblich zu verbessern der Batterie.
Drei Mainstream-Pfade für Festkörperbatterien
Festkörperbatterien folgen hauptsächlich drei technologischen Pfaden: Polymer, Oxid und Sulfid. Die Kathodenmaterialien und -wege der Festkörperbatterien unterscheiden sich nicht wesentlich von denen der Flüssiglithiumbatterien. Die verschiedenen technologischen Wege unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der verwendeten Elektrolyte. Basierend auf den Elektrolyten können Festkörperbatterien in drei Kategorien unterteilt werden: Polymer, Oxid (Film oder Nicht-Film) und Sulfid, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen.
A. Polymer
Vorteile:
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- Einfach zu verarbeiten, und die vorhandenen Anlagen und Verfahren zur Herstellung von Flüssigelektrolyten können die Anforderungen von Produktion und Forschung erfüllen.
Benachteiligungen:
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- Geringe Leitfähigkeit, muss auf 60 Grad Celsius erhitzt werden, um richtig zu funktionieren.
- Schlechte Stabilität, inkompatibel mit Hochspannungskathodenmaterialien und anfällig für Feuer bei hohen Temperaturen.
- Enges elektrochemisches Fenster, wobei sich der Elektrolyt bei hohen Spannungsunterschieden (>4V) leicht zersetzt.
B. Sulfid
Vorteile:
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- Höchste Leitfähigkeit und ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster (über 5 V), was es für die Entwicklung am vielversprechendsten macht.
Benachteiligungen:
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- Schlechte thermische Stabilität, wobei die thermische Reaktion in einem Temperaturbereich von 400-500°C beginnt.
- Aufwändiger Herstellungsprozess und anfällig für die Reaktion mit Wasser und Luftsauerstoff zur Bildung von hochgiftigem Schwefelwasserstoffgas.
C. Oxid
Vorteile:
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- Gute Leitfähigkeit und Stabilität, höhere Ionenleitfähigkeit als Polymer, thermische Stabilität bis zu 1000 Grad Celsius und ausgezeichnete mechanische und elektrochemische Stabilität.
Benachteiligungen:
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- Geringere Leitfähigkeit im Vergleich zu Sulfiden.
- Probleme mit starrem Schnittstellenkontakt.
Derzeit unterscheiden sich die Forschungsrichtungen der verschiedenen Batteriehersteller. China und die Vereinigten Staaten konzentrieren sich hauptsächlich auf den Oxidpfad und erforschen gleichzeitig neue Wege. Japanische Unternehmen, wie z.B. Honda, bevorzugen eher den Sulfidpfad. Aufgrund der relativ geringeren Forschungskosten und -schwierigkeiten haben mehrere Semi-Solid-State-Batterien im Oxid-System bis 2024 kommerzielle Anwendungen gesehen. Langfristig gesehen zieht der Sulfid-Festkörperelektrolyt jedoch trotz der hohen Forschungsschwierigkeiten mit seiner hervorragenden Leistung und seinem großen Potenzial weiterhin erhebliche Investitionen und Forschungsanstrengungen von kapitalkräftigen Batterieunternehmen an.
Drei Mainstream-Pfade für Festkörperbatterien
Vorteile von Solid-State-Batterien
Hohe Energiedichte:
Mit der Verwendung von Festkörperelektrolyten ändert sich das anwendbare Materialsystem von Lithium-Ionen-Batterien erheblich. Eine wichtige Änderung ist der Wegfall der Notwendigkeit von Anoden aus lithiuminterkaliertem Graphit. Festkörperbatterien können Lithiummetall als Anodenmaterial verwenden. Die theoretische spezifische Kapazität von Lithiummetall beträgt 3860 mAh/g, verglichen mit nur 372 mAh/g für die Graphitanode in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Dadurch können die Batterien die chemischen Beschränkungen überwinden und eine höhere Leistung erreichen.
Kleineres Volumen:
Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien benötigen Separatoren und Elektrolyte, die zusammen fast 40% des Volumens und 25% der Masse der Batterie beanspruchen. Indem sie durch feste Elektrolyte (hauptsächlich organische und anorganische keramische Materialien) ersetzt werden, kann der Abstand zwischen den positiven und negativen Elektroden (die traditionell durch Separatoren und Elektrolyte gefüllt wurden, jetzt durch feste Elektrolyte) auf wenige bis zehn Mikrometer reduziert werden. Das bedeutet, dass die Batterien kleiner gemacht werden können. Damit ist die Festkörperbatterietechnologie ein entscheidender Schritt zur Miniaturisierung von Batterien.
Hohe Plastizität:
Die Verwendung von Keramik als Festelektrolyt hat den Vorteil, dass sie eine erstaunliche Plastizität aufweist, wenn sie dünn ist, obwohl Keramik im täglichen Kontakt zerbrechlich ist. Selbst nach Hunderten von Biegungen oder Faltungen bleiben die Kapazität, die Lade-/Entladeeffizienz und die Lebensdauer der Batterie weitgehend unverändert. Das bedeutet, dass Festkörperbatterien in jede beliebige Form gebracht werden können. Dies bietet mehr Designflexibilität für elektronische Geräte, kann zu innovativen Formen und Strukturen führen und technologische Produktinnovationen vorantreiben.
Erhöhte Sicherheit:
In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien kann die Verwendung von Lithiummetall als Anodenmaterial während des Ladens und Entladens zur Bildung von Dendriten führen. Dendriten sind nadelförmige oder baumartige Strukturen, die durch ungleichmäßige Ablagerung von Lithiummetall im Elektrolyten entstehen. Diese Dendriten können wachsen und möglicherweise in den Separator eindringen und einen direkten Kontakt zwischen der positiven und negativen Elektrode verursachen, was zu Kurzschlüssen und möglicherweise zu Bränden oder Explosionen führen kann.
Außerdem sind die organischen Flüssigelektrolyte in herkömmlichen Batterien anfällig für Nebenreaktionen, Oxidation, Gasbildung und Verbrennung bei hohen Temperaturen. Feste Materialien können diese Probleme vollständig vermeiden.
Bessere Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen:
Der Betriebstemperaturbereich der derzeit angekündigten Festkörperbatterien liegt zwischen -20°C und 105°C. Lithium-Ionen-Batterie-Elektrolyte verwenden entflammbare organische Lösungsmittel, was in Umgebungen mit hohen Temperaturen ein Risiko darstellt. Festkörperbatterie-Elektrolyte verwenden keine entflammbaren Materialien und sind daher für den Einsatz bei höheren Temperaturen geeignet.
Bei niedrigen Temperaturen kann die Ionenmobilität in flüssigen Elektrolyten träge werden und die Leistung und Spannung der Batterie verringern. Feste Elektrolyte gefrieren nicht wie Flüssigkeiten, so dass sich der Innenwiderstand nur minimal ändert und die Leistung bei niedrigen Temperaturen besser bleibt.
Vergleich von Lithium-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien
| Merkmal | Lithium-Ionen-Akku | Solid-State-Batterie |
|---|---|---|
| Die Energiedichte | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Elektrolyt Typ | Flüssigkeit oder Gel Elektrolyt | Fester Elektrolyt |
| Sicherheit | Risiko von Leckagen, Feuer und Explosion | Geringeres Risiko, mehr Stabilität |
| Betriebstemperatur | -20°C bis 60°C | -30°C bis 100°C |
| Zyklus Leben | 500-1000 Zyklen | 1000-3000 Zyklen |
| Kosten | Relativ niedrig | Derzeit hoch |
| Komplexität der Herstellung | Etablierte Prozesse | Kompliziert, weniger etabliert |
| Kommerzielle Verfügbarkeit | Weithin verfügbar | Limitiert, in Entwicklung |
Drei Mainstream-Pfade für Festkörperbatterien
QuantumScape
Hintergrund des Unternehmens: QuantumScape wurde 2010 gegründet und wird von Präsident und CEO Dr. Jagdeep Singh geleitet. Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in San Jose, Kalifornien, und ist sowohl in den USA als auch in Japan tätig.
Technologie: QuantumScape konzentriert sich auf die Oxidtechnologie. Ihre Festkörperbatterie ist einzigartig, da sie kein Anodenmaterial vorgibt. Beim Aufladen wandelt sich reines Lithiummetall in Lithiumionen um, die auf die andere Seite der Batterie wandern und die Anode bilden, eine Technik, die sie "anodenlos" nennen. Ermöglicht wird dies durch das patentierte keramische Material, das für den Batterieseparator verwendet wird. Es erlaubt den Lithiumionen, sich frei zu bewegen und verhindert gleichzeitig, dass das Lithiummetall mit dem Kathodenmaterial reagiert und Dendriten bildet.
Vorteile: QuantumScape hat über 200 Patente und Anwendungen entwickelt. Ihr patentierter keramischer Festkörper-Separator, kombiniert mit organischen Flüssigelektrolyten (Katholyt), ermöglicht maßgeschneiderte Katholyt-Materialien, die besser für die Spannungs- und Übertragungsanforderungen der Kathode geeignet sind.
Letzte Fortschritte: Am 27. März 2024 begann QuantumScape mit der Auslieferung von Alpha-2-Prototypen an Kunden.
Solide Leistung
Hintergrund des Unternehmens: John Van Scoter ist seit Juni 2023 als CEO und Präsident tätig. Solid Power hat Partnerschaften mit BMW und Ford und hat seinen Hauptsitz in Louisville, Colorado.
Technologie: Der Schwerpunkt von Solid Power liegt auf der Sulfidtechnologie, die durch einen eigenen sulfidbasierten Festelektrolyten angetrieben wird. Das Kathodenmaterial ist NMC, und das Unternehmen verfügt über zwei Batterietechnologien mit unterschiedlichen Anodenmaterialien: eine mit hohem Siliziumanteil und eine mit Lithiummetall.
Vorteile: Die Schlüsselkomponente von Solid Power ist ihr sulfidbasierter Festelektrolyt, der eine optimale Kombination aus Leitfähigkeit, Herstellbarkeit und Batterieleistung bietet.
Letzte Fortschritte: Am 16. Januar 2024 unterzeichnete Solid Power eine neue Vereinbarung mit SK zur Vertiefung ihrer Partnerschaft.
Dyson (Sakti3)
Unternehmenshintergrund (Dyson): Dyson ist ein britisches Technologieunternehmen, das sich auf Haushaltsprodukte spezialisiert hat und über ein Erfinderteam von 1200 Wissenschaftlern und Ingenieuren verfügt. Dyson begann vor über einem Jahrzehnt mit einem eigenen Batterieprogramm.
Unternehmenshintergrund (Sakti3): Im Jahr 2015 wurde Sakti3 von Dyson Ltd. übernommen. Sakti3 wurde 2007 von Dr. Ann Marie Sastry, Dr. Chia-Wei Wang und Dr. Fabio Albano als Spin-Out der Universität von Michigan gegründet.
Technologie: Sakti3 verwendet die Technologie der Dünnschichtabscheidung, die typischerweise bei photovoltaischen Solarzellen eingesetzt wird. Ihre Festkörperbatterien haben keine flüssigen Elektrolyte, sondern verwenden eine "Sandwich"-Struktur, um eine normale Ionenübertragung zu gewährleisten.
Vorteile: Dyson hat bekannt gegeben, dass die Festkörperbatterien von Sakti3 eine ultrahohe Energiedichte von 550 Wh/kg erreichen können, was fast das Doppelte der maximalen Energiedichte von 300 Wh/kg für ternäre Lithiumbatterien ist.
Letzte Fortschritte: Am 16. Juni 2023 kündigte Dyson Pläne an, in Singapur eine fortschrittliche Produktionsstätte für Batterien der nächsten Generation zu eröffnen.
Toyota
Hintergrund des Unternehmens: Toyota arbeitet seit 2006 an der Entwicklung von Festkörperbatterien und konzentriert sich dabei auf die Sulfidtechnologie. Das Unternehmen hält über 1300 Patente für Festkörperbatterien und hat seinen Hauptsitz in Tokio, Japan.
Technologie: Die von Toyota veröffentlichten Informationen deuten darauf hin, dass der Schwerpunkt auf der Sulfidtechnologie liegt.
Vorteile: Toyota hält 1331 Patente für Festkörperbatterien, die sich auf die Struktur der Batterie, Materialanwendungen und Herstellungsverfahren beziehen. Damit ist Toyota das Unternehmen mit den meisten Patenten weltweit. Das Unternehmen plant, die kommerzielle Produktion zwischen 2026 und 2027 aufzunehmen.
Letzte Fortschritte: Am 13. Juni 2024 kündigte Toyota einen technologischen Durchbruch an, der die seit langem bestehende Herausforderung der Haltbarkeit von Batterien angeht.
Ampcera
Hintergrund des Unternehmens: Ampcera hat seinen Hauptsitz im Silicon Valley, Kalifornien, und wurde 2017 gegründet. Der CEO ist Dr. Sumin Zhu.
Technologie: Die ASSB-Technologie von Ampcera umfasst IP-geschützte Sulfid-Festelektrolytmaterialien, die für ultraschnelles Laden entwickelt wurden. Sie verwenden hochkapazitive NMC-Kathoden und Anoden auf Siliziumbasis, um eine angestrebte Energiedichte von 400 Wh/kg zu erreichen.
Vorteile: Die ASSB-Technologie (All Solid State Battery) von Ampcera hat eine Schnellladung von 0 auf 80% Ladezustand (SOC) in 15 Minuten bei einer Spitzen-C-Rate von 4C erreicht.
Letzte Fortschritte: Am 25. Februar 2024 übertraf die Festkörperbatterie-Technologie von Ampcera das Ziel des U.S. DOE für extremes Schnellladen von 80% Ladung in 15 Minuten.
Samsung SDI
Hintergrund des Unternehmens: Samsung SDI hat seinen Hauptsitz in Yongin, Gyeonggi-do, Südkorea, und der CEO ist Yoon Ho Choi.
Technologie: Das Unternehmen konzentriert sich auf Sulfidelektrolyte und verwendet eine Ag-C-Verbundanode ohne überschüssiges Lithium. Die Ag-C-Schicht reguliert effektiv die Lithiumablagerung und sorgt so für eine lange elektrochemische Zyklusdauer.
Vorteile: Die Super-Gap-Festkörperbatterie-Technologie von Samsung SDI hat eine Energiedichte von 900 Wh/L, etwa 40% höher als die derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien. Sie behaupten, eine prismatische Zelle in 9 Minuten von 8% auf 80% aufladen zu können. Die Massenproduktion ist für 2026 geplant.
Letzte Fortschritte: Im März 2024 kündigte Samsung SDI an, bis 2027 mit der Massenproduktion von Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen beginnen zu wollen.
Chinesische Hersteller
Chinesische Batteriehersteller sind diskreter, aber es ist bekannt, dass BYD und CATL entwickeln Festkörperbatterien. Weltweit gibt es 20.798 Patentanmeldungen für Schlüsseltechnologien für Festkörperbatterien, wobei auf China 7640 oder 36,7% entfallen. In den letzten fünf Jahren lag die jährliche Wachstumsrate bei den Patentanmeldungen für Festkörperbatterien in China bei 20,8%, dem höchsten Wert der Welt.
Meinungen zu Festkörperbatterien von anderen Branchenführern
Die Herausforderungen von Festkörperbatterien
Hohe Kosten
Für die Sulfidroute liegen die Kosten für sulfidische Festelektrolyte derzeit bei über $195 pro Kilogramm, viel höher als die für die Kommerzialisierung erforderlichen $50 pro Kilogramm. Dieses Problem rührt von den hohen Kosten für Lithiumsulfid (nicht weniger als $650 pro Kilogramm) her, die für die Synthese von Sulfid-Feststoffelektrolyten erforderlich sind. Außerdem sind die Kosten für die Hochleistungsmaterialien (wie hochreine Keramiken) und die komplexen Herstellungsprozesse, die in Festkörperbatterien verwendet werden, deutlich höher als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.
Produktionsschwierigkeiten
Bei der Verwendung von Sulfid-Feststoffelektrolyten ist die Produktion eine Herausforderung, da der Elektrolyt dazu neigt, mit Feuchtigkeit und Sauerstoff zu reagieren. Dazu ist eine hochgradig kontrollierte Produktionsumgebung erforderlich, idealerweise in einer mit Inertgas gefüllten, versiegelten Kammer.
Niedrige ionische Leitfähigkeit
In Festkörperbatterien ändert sich der Grenzflächenkontakt zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten von einem fest-flüssigen zu einem fest-festen Kontakt. Im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten ist die Kontaktfläche zwischen Festkörpern kleiner, was zu einem höheren Grenzflächenwiderstand führt. Darüber hinaus enthalten Festelektrolyte viele Korngrenzen, die oft einen höheren Widerstand aufweisen als das Hauptmaterial, was den Lithium-Ionen-Transport zwischen den Elektroden behindert und sich negativ auf die Schnellladeleistung und die Zyklusdauer auswirkt.
Schlechte Zyklusdauer
Der Festkörperkontakt in Festkörperbatterien ist starrer und reagiert daher empfindlicher auf Volumenänderungen der Elektrodenmaterialien. Während des Zyklus kann dies zu einem schlechten Kontakt zwischen den Elektrodenpartikeln und zwischen den Elektrodenpartikeln und dem Elektrolyt führen.Dies führt zu Spannungsakkumulationen, einer Verschlechterung der elektrochemischen Leistung und sogar zu Rissen, die die Kapazität schnell verringern und zu einer schlechten Zykluslebensdauer führen können.
Wann werden Festkörperbatterien verfügbar sein?
Ab Juli 2024 gibt es keine wirklich kommerziell verfügbaren Festkörperbatterien mehr. Chinesische Autohersteller, die behaupten, Solid-State-Batterien zu verwenden, verwenden in Wirklichkeit Semi-Solid-State-Batterien mit reduziertem Flüssigkeitsanteil. Ähnlich wie bei den Lithiumbatterien, die Jahrzehnte brauchten, um von der technologischen Entwicklung zu einer weit verbreiteten Nutzung zu gelangen, glauben viele Experten, dass Solid-State-Batterien noch längere Zeiträume für die Validierung und den technologischen Durchbruch benötigen.
Doch die Wartezeit ist vielleicht nicht unendlich lang. Das große Potenzial von Festkörperbatterien hat einen intensiven Wettbewerb ausgelöst und den Fortschritt auf diesem Gebiet beschleunigt. Viele Hersteller haben das Jahr 2027 als Ziel für die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien ausgegeben. Behalten wir die Entwicklungen im Auge, während sich die Branche auf dieses ehrgeizige Ziel zubewegt.
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