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Was ist eine Solid-State-Batterie und werden sie unsere Probleme mit der Akkulaufzeit lösen?

Was ist eine Solid-State-Batterie und werden sie unsere Probleme mit der Akkulaufzeit lösen?

Die Leistung der Mobiltechnologie nimmt exponentiell zu, aber die Batterietechnologie hält nicht mit. Wir stoßen an die physikalischen Grenzen dessen, was herkömmliche Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Designs leisten können. Die Lösung könnte eine sogenannte Festkörperbatterie sein.

Was ist eine Festkörperbatterie?

Bei einem herkömmlichen Batteriedesign – am häufigsten Lithium-Ionen – werden zwei feste Metallelektroden mit einem flüssigen Lithiumsalz als Elektrolyt verwendet. Ionische Partikel bewegen sich beim Laden der Batterie von einer Elektrode (der Kathode) zur anderen (der Anode) und beim Entladen umgekehrt. Der flüssige Lithiumsalz-Elektrolyt ist das Medium, das diese Bewegung ermöglicht. Wenn Sie jemals gesehen haben, dass eine Batterie korrodiert oder beschädigt wurde, 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 Stücke aus Metall, Legierung oder einem anderen synthetischen Material. Der Begriff „Solid-State“ erinnert vielleicht an SSD-Datenlaufwerke, und das kommt nicht von ungefähr. Solid-State-Speicherlaufwerke verwenden 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 die Idee von Festkörperbatterien schon seit Jahrzehnten existiert, stehen die Fortschritte in ihrer Entwicklung erst am Anfang, angetrieben durch Investitionen von Elektronikunternehmen, Automobilherstellern und allgemeinen Industrieanbietern.

Was ist besser an Festkörperbatterien?

Festkörperbatterien versprechen einige deutliche Vorteile gegenüber ihren flüssigkeitsgefüllten Cousins: 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 aufzuhängen. Das bedeutet, dass Sie sie kleiner – oder zumindest flacher – machen können, während Sie so viel Energie halten wie eine größere flüssigkeitsbasierte Batterie. Wenn Sie also den Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akku in Ihrem Telefon oder Laptop durch einen Festkörperakku derselben Größe ersetzen, wird dieser viel länger aufgeladen. Alternativ können Sie ein Gerät, das die gleiche Ladung hält, viel kleiner oder dünner machen.

Festkörperbatterien sind auch sicherer, da keine giftigen, brennbaren Flüssigkeiten verschüttet werden können und sie nicht so viel Wärme abgeben wie herkömmliche wiederaufladbare Batterien. Wenn sie auf Batterien angewendet werden, die aktuelle Elektronik oder sogar Elektroautos mit Strom versorgen, könnten sie sich auch viel schneller aufladen – Ionen könnten sich viel schneller von der Kathode zur Anode bewegen.

Nach neuesten Forschungsergebnissen könnte eine Festkörperbatterie herkömmliche Akkus in Bezug auf die Kapazität um 500 % oder mehr übertreffen und sich in einem Zehntel der Zeit aufladen.

Was sind die Nachteile?

Da Festkörperbatterien eine aufkommende Technologie sind, sind sie unglaublich teuer in der Herstellung. So teuer, dass sie zum Zeitpunkt des Schreibens in keiner großen Unterhaltungselektronik installiert sind. In 2012, Analysten, die für die Abteilung Software Analysis and Advanced Materials Processing der University of Florida schreiben Schätzungen zufolge würde die Herstellung einer typischen Festkörperbatterie in der Größe eines Mobiltelefons etwa 15.000 US-Dollar kosten. Eine, die groß genug ist, um ein Elektroauto anzutreiben, würde 100.000 US-Dollar kosten.

Einen Solid-State-Akku zu bauen, der groß genug ist, um Ihr Telefon mit Strom zu versorgen, kostet heute Tausende von Dollar.

Dies liegt zum Teil daran, dass die Skaleneffekte nicht vorhanden sind – derzeit werden jedes Jahr Hunderte Millionen von wiederaufladbaren Batterien hergestellt, sodass die Herstellungskosten für Material und Ausrüstung auf riesige Versorgungsleitungen verteilt sind. Es gibt nur wenige Unternehmen und Universitäten, die an Festkörperbatterien forschen, daher sind die Kosten für die Herstellung jeder einzelnen Batterie astronomisch.

Ein weiteres Problem sind die Materialien. Während die Eigenschaften verschiedener Metalle, Legierungen und Metallsalze, die für herkömmliche wiederaufladbare Batterien verwendet werden, gut bekannt sind, kennen wir derzeit nicht die beste chemische und atomare Zusammensetzung für einen Festelektrolyten zwischen metallischen Anoden und Kathoden. Die aktuelle Forschung grenzt dies ein, aber wir müssen zuverlässigere Daten sammeln, bevor wir die Materialien sammeln oder synthetisieren und in Herstellungsverfahren investieren können.

Wann kann ich eine Solid-State-Batterie verwenden?

Wie bei allen neuen Technologien ist der Versuch, herauszufinden, wann Sie sie in die Hände bekommen, bestenfalls Vermutungen.

Es ist ermutigend, dass viele riesige Unternehmen in die Forschung investieren, die erforderlich ist, um Festkörperbatterien auf den Verbrauchermarkt zu bringen, aber vor einem großen Durchbruch in unmittelbarer Zukunft ist es schwer zu sagen, ob es einen großen Sprung nach vorne geben wird. Mindestens ein Autounternehmen sagt, dass es bis 2023 bereit sein wird, einen in ein Fahrzeug zu setzen, aber er schätzt nicht, wie viel dieses Auto kosten könnte. Fünf Jahre scheinen zu optimistisch; zehn Jahre scheint wahrscheinlicher. Es kann zwanzig Jahre oder länger dauern, bis die Materialien festgelegt und die Herstellungsverfahren entwickelt sind.

Aber wie wir zu Beginn des Artikels sagten, stößt die konventionelle Batterietechnologie an eine Wand. Und es gibt nichts Besseres als potenzielle Verkäufe, um Forschung und Entwicklung anzukurbeln. Es ist zumindest leicht (sehr, sehr leicht) möglich, dass Sie bald ein Gerät verwenden oder ein Auto fahren können, das von einer Festkörperbatterie angetrieben wird.

Bildnachweis: Sucharas Wongpeth/Shutterstock, Daniel Krason/Shutterstock

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