Anmerkung des Herausgebers: Elektrotechnologie ist die Zukunft der grünen Erde, und Batterietechnologie ist die Grundlage der Elektrotechnologie und der Schlüssel zur Einschränkung der groß angelegten Entwicklung der Elektrotechnologie. Die derzeit gängige Batterietechnologie sind Lithium-Ionen-Batterien, die eine gute Energiedichte und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Allerdings ist Lithium ein seltenes Element mit hohen Kosten und begrenzten Ressourcen. Gleichzeitig reicht mit zunehmender Nutzung erneuerbarer Energiequellen die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien nicht mehr aus. Wie soll ich reagieren? Mayank Jain hat eine Bestandsaufnahme einiger Batterietechnologien gemacht, die in Zukunft eingesetzt werden könnten. Der Originalartikel wurde auf Medium mit dem Titel „The Future of Battery Technology“ veröffentlicht
Die Erde ist voller Energie und wir tun alles, was wir können, um diese Energie einzufangen und sinnvoll zu nutzen. Obwohl wir bei der Umstellung auf erneuerbare Energien bessere Arbeit geleistet haben, haben wir bei der Energiespeicherung keine großen Fortschritte gemacht.
Der derzeit höchste Standard der Batterietechnologie sind Lithium-Ionen-Batterien. Diese Batterie scheint die beste Energiedichte, einen hohen Wirkungsgrad (ca. 99 %) und eine lange Lebensdauer zu haben.
Was ist also los? Da die von uns gewonnene erneuerbare Energie immer weiter zunimmt, reicht die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien nicht mehr aus.
Da wir weiterhin Batterien in Chargen produzieren können, scheint dies keine große Sache zu sein, aber das Problem ist, dass Lithium ein relativ seltenes Metall ist und seine Kosten daher nicht niedrig sind. Obwohl die Produktionskosten für Batterien sinken, steigt auch der Bedarf an Energiespeichern rasant.
Wir sind an einem Punkt angelangt, an dem die Lithium-Ionen-Batterie, sobald sie hergestellt ist, enorme Auswirkungen auf die Energiebranche haben wird.
Tatsache ist, dass die höhere Energiedichte fossiler Brennstoffe ein großer Einflussfaktor ist, der den Übergang zu einer völligen Abhängigkeit von erneuerbaren Energien behindert. Wir brauchen Batterien, die mehr Energie abgeben als wir wiegen.
So funktionieren Lithium-Ionen-Batterien
Der Funktionsmechanismus von Lithiumbatterien ähnelt dem von gewöhnlichen chemischen AA- oder AAA-Batterien. Sie haben Anoden- und Kathodenanschlüsse und dazwischen einen Elektrolyten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien ist die Entladereaktion bei einer Lithium-Ionen-Batterie reversibel, sodass die Batterie wiederholt aufgeladen werden kann.
Die Kathode (+ Anschluss) besteht aus Lithiumeisenphosphat, die Anode (-Anschluss) besteht aus Graphit und Graphit besteht aus Kohlenstoff. Elektrizität ist nur der Fluss von Elektronen. Diese Batterien erzeugen Strom, indem sie Lithiumionen zwischen Anode und Kathode bewegen.
Beim Laden bewegen sich die Ionen zur Anode, beim Entladen laufen die Ionen zur Kathode.
Diese Ionenbewegung verursacht die Bewegung von Elektronen im Stromkreis, sodass die Bewegung von Lithiumionen und die Elektronenbewegung miteinander zusammenhängen.
Siliziumanodenbatterie
Viele große Automobilhersteller wie BMW haben in die Entwicklung von Siliziumanodenbatterien investiert. Wie gewöhnliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden diese Batterien Lithiumanoden, aber anstelle von Anoden auf Kohlenstoffbasis verwenden sie Silizium.
Als Anode ist Silizium besser als Graphit, da es 4 Kohlenstoffatome benötigt, um Lithium zu halten, und 1 Siliziumatom 4 Lithiumionen halten kann. Dies ist eine große Verbesserung … Silizium ist dreimal stärker als Graphit.
Dennoch ist der Einsatz von Lithium immer noch ein zweischneidiges Schwert. Dieses Material ist immer noch teuer, lässt sich aber auch einfacher auf Siliziumzellen übertragen. Bei völlig unterschiedlichen Batterien muss die Fabrik komplett neu konzipiert werden, was dazu führt, dass die Attraktivität des Umstiegs leicht sinkt.
Siliziumanoden werden durch die Behandlung von Sand hergestellt, um reines Silizium herzustellen. Das größte Problem, mit dem Forscher derzeit konfrontiert sind, besteht jedoch darin, dass Siliziumanoden bei der Verwendung aufquellen. Dies kann dazu führen, dass sich die Batterie zu schnell verschlechtert. Es ist auch schwierig, Anoden in Massenproduktion herzustellen.
Graphen-Batterie
Graphen ist eine Art Kohlenstoffflocken, für die das gleiche Material wie für einen Bleistift verwendet wird, aber es kostet viel Zeit, Graphit an den Flocken anzubringen. Graphen wird für seine hervorragende Leistung in vielen Anwendungsfällen gelobt, und Batterien sind einer davon.
Einige Unternehmen arbeiten an Graphenbatterien, die in wenigen Minuten vollständig aufgeladen werden können und sich 33-mal schneller entladen als Lithium-Ionen-Batterien. Dies ist für Elektrofahrzeuge von großem Wert.
Schaumstoffbatterie
Derzeit sind herkömmliche Batterien zweidimensional. Sie werden entweder wie eine Lithiumbatterie gestapelt oder wie eine typische AA- oder Lithium-Ionen-Batterie aufgerollt.
Die Schaumbatterie ist ein neues Konzept, das die Bewegung elektrischer Ladung im 3D-Raum beinhaltet.
Diese dreidimensionale Struktur kann die Ladezeit beschleunigen und die Energiedichte erhöhen, das sind äußerst wichtige Eigenschaften der Batterie. Im Vergleich zu den meisten anderen Batterien enthalten Schaumbatterien keine schädlichen flüssigen Elektrolyte.
Schaumbatterien verwenden Festelektrolyte anstelle von Flüssigelektrolyten. Dieser Elektrolyt leitet nicht nur Lithiumionen, sondern isoliert auch andere elektronische Geräte.
Die Anode, die die negative Ladung der Batterie speichert, besteht aus geschäumtem Kupfer und ist mit dem erforderlichen Aktivmaterial beschichtet.
Anschließend wird um die Anode herum ein Festelektrolyt aufgetragen.
Abschließend wird eine sogenannte „Positivpaste“ verwendet, um die Lücken im Inneren der Batterie zu füllen.
Aluminiumoxid-Batterie
Diese Batterien haben eine der höchsten Energiedichten aller Batterien. Seine Energie ist leistungsfähiger und leichter als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien. Manche Leute behaupten, dass diese Batterien eine Reichweite von 2.000 Kilometern für Elektrofahrzeuge bieten könnten. Was ist dieses Konzept? Als Referenz: Die maximale Reichweite des Tesla beträgt etwa 600 Kilometer.
Das Problem bei diesen Akkus ist, dass sie nicht aufgeladen werden können. Sie produzieren Aluminiumhydroxid und setzen Energie durch die Reaktion von Aluminium und Sauerstoff in einem wasserbasierten Elektrolyten frei. Beim Einsatz von Batterien wird Aluminium als Anode verbraucht.
Natriumbatterie
Derzeit arbeiten japanische Wissenschaftler an der Herstellung von Batterien, die Natrium anstelle von Lithium verwenden.
Dies wäre störend, da Natriumbatterien theoretisch siebenmal effizienter sind als Lithiumbatterien. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass Natrium im Vergleich zu Lithium, das ein seltenes Element ist, das sechstreichste Element in den Reserven der Erde ist.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 02.12.2019