Was kommt nach den Lithium-Ionen-Batterien?
Seit ihrer Erfindung in den 1990er Jahren erfreuen sich Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihres relativ geringen Gewichts, ihrer kompakten Größe, ihrer langen Lebensdauer und ihrer hohen Energiedichte zunehmender Beliebtheit.
Im Wesentlichen besteht eine Lithium-Ionen-Zelle aus einer Graphitanode und einer beschichteten, geschichteten Oxidkathode auf Stromkollektoren, getrennt durch einen mit flüssigem organischem Elektrolyten getränkten Separator. In Pouch-, Prismen- oder Zylinderform verpackt, bilden sie die Grundlage von Lithium-Ionen-Akkus. Ihre vergleichsweise hohe Leistung, die geringen Kosten und die weite Verbreitung machen Lithium-Ionen-Akkus zu einer herausragenden Energiespeichertechnologie für viele Anwendungen, von elektronischen Geräten und Elektrofahrzeugen bis hin zu großen stationären Energiespeichersystemen. Daher ist es unwahrscheinlich, dass Lithium-Ionen-Akkus in den nächsten zehn Jahren in irgendeiner Form ersetzt werden. Aufgrund von Leistungsbeschränkungen sowie Umwelt- und Lieferkettenaspekten werden jedoch die Entwicklung und Innovation für die nächste Generation von Batterietechnologien fortgesetzt.
Sowohl fortschrittliche Lithium-Ionen-Technologien als auch Alternativen haben großes Interesse geweckt. Festkörperbatterien, die auf Innovationen bei Festkörperelektrolyten basieren, haben dabei zunehmend Diskussionen und kontinuierliche Investitionen ausgelöst. Als Innovation im Bereich der Elektrolyte können Festkörperbatterien auch mit anderen Innovationen wie Lithiummetall, Siliziumanoden, Hochvoltkathoden, neuen Zelldesigns, Trockenfertigung und vielem mehr kombiniert werden.
Veränderte Schwerpunkte:
Zahlreiche Pressemitteilungen berichten über Fortschritte bei Festkörperbatterien und Prototypen von Elektrofahrzeugen mit Festkörperbatterien. Der Fokus liegt scheinbar primär auf den Zellen. Dies wird jedoch nur ein Teil des zukünftigen Schwerpunkts sein. IDTechEx beobachtet, dass sich die Entwicklungsschwerpunkte von der Materialentwicklung und Zelldemonstration hin zur Zellvalidierung und zum Systemdesign verlagert haben. Beispiele hierfür sind das Design von Zell-zu-Pack-Systemen (CTP) und Wärmemanagementsysteme.
Das CTP-Konzept ist nicht neu und findet sich bereits in Designs auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien, wie beispielsweise der Blade-Batterie von BYD und den CTP-Designs von CATL. Aufgrund der erhöhten Sicherheit von Festkörperbatteriezellen wird das CTP-Konzept an Bedeutung gewinnen. Diese Sicherheit ermöglicht flexiblere Akkupack-Designs und einen geringeren Bedarf an elektronischen Bauteilen in Batteriemodulen und -packs. So erlaubt beispielsweise das bipolare Design eine kompaktere Bauweise und eine höhere Energiedichte. Frühe Generationen von Festkörperbatterien verfügen möglicherweise nicht über eine Hochspannungs-Hochleistungskathode und eine Lithium-Metall-Anode, was zu geringeren Energiedichten als bei kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien führt. Auch die anfänglichen Kosten für Festkörperbatterien werden voraussichtlich höher sein als die ihrer Lithium-Ionen-Pendants. Dank der höheren Energiedichte auf Packebene, des flexiblen Designs und des geringeren Material- und Bauteilverbrauchs könnten Festkörperbatterien jedoch mit Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar oder sogar überlegen sein.
Thermische Managementsysteme sind auch für Festkörperbatterien unerlässlich. Da Festkörperbatterien in einem anderen sicheren Betriebsbereich arbeiten, kann sich die ideale Betriebstemperatur von derjenigen von Lithium-Ionen-Batterien unterscheiden. In Kombination mit innovativem Zelldesign lassen sich thermische Management- und mechanische Schutzsysteme in die Konstruktion von Festkörperbatteriesystemen integrieren.
Darüber hinaus werden verstärkt Anstrengungen unternommen, um auch Aspekte zu fördern, die für das Marketing wichtig sind, wie beispielsweise den Aufbau einer Lieferkette und die Verbesserung der Fertigung.
Hybridtechnologie heute, Festkörpertechnologie in der Zukunft
Die auf Polymeren basierende Festkörperbatterie ist bereits kommerziell erhältlich und wird in Fahrzeugen wie dem Daimler eCitaro eingesetzt. Andere Technologien testen kontinuierlich ihre Prototypen für Erstausrüster.
Die meisten handelsüblichen Festkörperbatterien und die in Kürze verfügbaren Modelle sind Hybridbatterien, d. h. sie können eine geringe Menge Flüssigkeit oder Gel enthalten. Genau genommen sind nicht alle Festkörperbatterien reine Festkörperbatterien. Für den Endverbraucher ist die verwendete Technologie jedoch irrelevant; solange die Batterien die erforderliche Leistung erbringen, sind sie akzeptabel. Selbst Hybrid-Festkörperbatterien können eine bessere Leistung bieten und eine gute Übergangslösung darstellen.
Mit zunehmender Reife der Technologien kann der Übergang zu reinen Festkörperbatterien nahtlos erfolgen.
