Was ist eine Festkörperbatterie und lösen sie unsere Probleme mit der Lebensdauer der Batterie?

Die mobile Technologie nimmt exponentiell zu, aber die Batterietechnologie hält nicht mit. Wir stoßen an die physischen Grenzen der Möglichkeiten herkömmlicher Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Konstruktionen. Die Lösung könnte eine sogenannte Festkörperbatterie sein.

Was ist eine Solid-State-Batterie??

Bei einem herkömmlichen Batteriedesign werden am häufigsten Lithium-Ionen-Zwei-Metallelektroden mit einem als Elektrolyt wirkenden flüssigen Lithiumsalz verwendet. Ionenpartikel bewegen sich von einer Elektrode (der Kathode) zur anderen (der Anode), wenn sich die Batterie auflädt, und umgekehrt, wenn sie entladen wird. Der flüssige Lithiumsalzelektrolyt ist das Medium, das diese Bewegung erlaubt. Wenn Sie jemals gesehen haben, wie eine Batterie korrodiert oder punktiert wurde, ist der flüssige Elektrolyt die "Batteriesäure", die ausströmt (oder manchmal explodiert).

In einer Festkörperbatterie sind sowohl die positive als auch die negative Elektrode und der Elektrolyt dazwischen feste Metallstücke, Legierungen oder ein anderes synthetisches Material. Der Begriff „Solid State“ erinnert 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, auf der Daten auf einer sich drehenden Magnetplatte gespeichert werden, die von einem winzigen Motor angetrieben wird.

Obwohl die Idee von Festkörperbatterien bereits seit Jahrzehnten besteht, stehen die Fortschritte in ihrer Entwicklung erst am Anfang und werden derzeit durch Investitionen von Elektronikunternehmen, Automobilherstellern und allgemeinen industriellen Anbietern vorangetrieben.

Was ist besser bei Halbleiter-Batterien??

Festkörperbatterien versprechen gegenüber ihren mit Flüssigkeit gefüllten Cousins ​​einige entscheidende Vorteile: bessere Akkulaufzeit, schnellere Ladezeiten und ein sichereres Erlebnis.

Bei Festkörperbatterien werden Anode, Kathode und Elektrolyt in drei flachen Schichten komprimiert, anstatt die Elektroden in einem flüssigen Elektrolyten aufzuhängen. Das heißt, Sie können sie kleiner machen oder zumindest flacher machen und dabei so viel Energie wie eine größere Batterie auf Flüssigkeitsbasis halten. Wenn Sie also den Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akku Ihres Telefons oder Laptops durch einen Festkörperakku derselben Größe ersetzen, würde der Ladevorgang wesentlich länger dauern. Alternativ können Sie ein Gerät herstellen, das die gleiche Ladung viel kleiner oder dünner hält.

Festkörperbatterien sind außerdem sicherer, da keine giftigen, entzündbaren Flüssigkeiten überlaufen und sie nicht so viel Wärme abgeben wie herkömmliche Akkus. Bei der Verwendung von Batterien, die Stromelektronik oder sogar Elektroautos versorgen, könnten sie sich viel schneller aufladen. Zu Ionen könnten sich viel schneller von der Kathode zur Anode bewegen.

Nach neuesten Forschungsergebnissen könnte eine Festkörperbatterie herkömmliche Akkus 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 sie in der Herstellung unglaublich teuer. Tatsächlich so teuer, dass sie zum Zeitpunkt des Schreibens noch nicht in einer der führenden Unterhaltungselektronik installiert sind. Analysten, die für die Software-Analyse- und fortgeschrittene Materialverarbeitungsabteilung der Universität von Florida schreiben, schätzten 2012, dass eine typische Festkörperbatterie in Handygröße etwa 15.000 USD kosten würde. Einer, der groß genug ist, um ein Elektroauto anzutreiben, würde 100.000 Dollar kosten.

Wenn Sie einen Festkörperakku groß genug machen, um Ihr Telefon mit Strom zu versorgen, kostet das heute Tausende von Dollar.

Das liegt zum einen daran, dass es keine Skaleneffekte gibt - Hunderte Millionen wiederaufladbare Batterien werden derzeit jedes Jahr hergestellt, sodass die Herstellungskosten der Materialien und Ausrüstungen auf riesige Versorgungsleitungen verteilt sind. Es gibt nur wenige Unternehmen und Universitäten, die sich mit Festkörperbatterien beschäftigen. Die Kosten für die Herstellung dieser Batterien sind daher astronomisch.

Ein weiteres Thema sind die Materialien. Während 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 metallischen Anoden und Kathoden. Die aktuelle Forschung schränkt dies ein, aber wir müssen zuverlässigere Daten sammeln, bevor wir die Materialien sammeln oder synthetisieren und in Herstellungsprozesse investieren können.

Wann kann ich eine Solid-State-Batterie verwenden??

Wie bei allen aufkommenden Technologien ist der Versuch, herauszufinden, wann Sie Ihre Hände bekommen, bestenfalls Vermutungen.

Es ist ermutigend, dass viele große Unternehmen in die Forschung investieren, die erforderlich ist, um Festkörperbatterien in den Verbrauchermarkt zu bringen, aber kurz vor einem großen Durchbruch in der nahen Zukunft ist es schwer zu sagen, ob es einen großen Sprung nach vorne geben wird. Mindestens eine Autofirma sagt, dass sie bis 2023 bereit sein wird, eines in ein Fahrzeug zu stecken, weiß aber nicht, wie viel dieses Auto kosten könnte. Fünf Jahre scheinen zu optimistisch; zehn Jahre scheint wahrscheinlicher. Es kann zwanzig Jahre oder mehr dauern, bevor die Materialien festgelegt und die Herstellungsprozesse entwickelt werden.

Aber wie wir zu Beginn des Artikels sagten, beginnt der herkömmliche Batterietechniker eine Wand zu schlagen. Nichts ist vergleichbar mit potenziellen Verkäufen, die Forschung und Entwicklung vorantreiben. Zumindest etwas (sehr, sehr wenig) ist es möglich, dass Sie möglicherweise bald ein Gadget verwenden oder ein Auto fahren können, das mit einer Festkörperbatterie betrieben wird.

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