Ausgereifte Lithium-Ionen-Batterietechnologie hat ihre systembedingten Grenzen
Seit ihrer Einführung im Jahr 1991 erfreuen sich Lithium-Ionen-Akkus weltweiter Beliebtheit. Dies kann jedoch ihre systembedingten Einschränkungen in Bezug auf Sicherheit, Leistung, Bauform und Kosten nicht verschleiern
Die meisten gängigen Lithium-Ionen-Technologien verwenden flüssige Elektrolyte mit Lithiumsalzen wie LiPF₆, LiBF₄ oder LiClO₄ in einem organischen Lösungsmittel. Die durch Elektrolytzersetzung an der negativen Elektrode entstehende Festelektrolyt-Grenzfläche begrenzt jedoch die effektive Leitfähigkeit. Zudem benötigen flüssige Elektrolyte teure Membranen zur Trennung von Kathode und Anode sowie ein auslaufsicheres Gehäuse. Daher sind Größe und Design dieser Batterien eingeschränkt. Darüber hinaus bergen flüssige Elektrolyte Sicherheits- und Gesundheitsrisiken, da sie brennbare und korrosive Flüssigkeiten enthalten. Insbesondere der Firegate-Vorfall bei Samsung verdeutlichte die Risiken, denen selbst große Unternehmen bei der Verwendung brennbarer flüssiger Elektrolyte ausgesetzt sind.
Moderne Lithium-Ionen-Akkus der Spitzenklasse erreichen eine Energiedichte von über 700 Wh/L auf Zellebene und ermöglichen eine maximale Reichweite von rund 500 km für Elektrofahrzeuge. Verbesserungen bei hoch-nickelhaltigen Kathodenmaterialien können die Energiedichte weiter steigern, jedoch könnten die Eigenschaften der Aktivmaterialien eine Grenze setzen.
Festkörperbatterien können bahnbrechend sein
Der Festkörperelektrolyt ermöglicht die Integration leistungsfähigerer Materialien wie Lithiummetall und Hochvolt-Kathodenmaterialien. Es wurde jedoch beobachtet, dass Festkörperbatterien der ersten Generation ähnliche aktive Elektrodenmaterialien enthalten können, wobei der flüssige Elektrolyt durch einen Festkörperelektrolyten ersetzt wird. In diesem Fall bieten Festkörperbatterien hinsichtlich der Energiedichte keinen eindeutigen Vorteil gegenüber flüssigkeitsbasierten Lithium-Ionen-Batterien.
Festkörperbatterien bieten in diesem Fall jedoch weiterhin Vorteile. Da sowohl die Elektroden als auch der Elektrolyt fest sind, dient der feste Elektrolyt gleichzeitig als Separator. Dies ermöglicht eine Reduzierung von Volumen und Gewicht durch den Wegfall bestimmter Komponenten (z. B. Separator und Gehäuse). Sie erlauben eine kompaktere Anordnung der Zellen im Akkupack. Beispielsweise ermöglicht die bipolare Anordnung höhere Spannungen und Kapazitäten auf Zellebene. Die vereinfachte Verbindung schafft zusätzlichen Platz im Akkupack für weitere Zellen.
Darüber hinaus kann der Verzicht auf brennbare flüssige Elektrolyte zu sichereren und langlebigeren Batterien führen, da diese unempfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen und mechanischen Beschädigungen im Gebrauch sind. Festkörperbatterien überstehen mehr Lade-/Entladezyklen, bevor ihre Leistung nachlässt, und versprechen somit eine längere Lebensdauer. Die verbesserte Sicherheit bedeutet weniger Elektronik zur Sicherheitsüberwachung in den Batteriemodulen/-packs.
Daher kann die im Akkupack verfügbare Energie, auch wenn die ersten Generationen von Festkörperbatterien eine ähnliche oder sogar geringere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien aufweisen, mit der von Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar oder sogar höher sein.
Dank des größeren elektrochemischen Fensters, das Festelektrolyte bieten, können Hochvolt-Kathodenmaterialien eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Lithium-Metall-Anode mit hoher Energiedichte die Energiedichte auf über 1000 Wh/L steigern. Diese Eigenschaften könnten Festkörperbatterien zu einem Durchbruch in der Energietechnik machen.
Die konkurrierenden Technologien erschweren die Entscheidung
Investitionen in mehrere Festkörperbatterie-Unternehmen spiegeln das enorme Potenzial dieser Technologie wider. Festkörperbatterien basieren jedoch nicht auf einer einzigen Technologie. Vielmehr stehen in der Branche verschiedene technologische Ansätze zur Verfügung. Festkörperelektrolyte lassen sich grob in drei Kategorien einteilen: organische, anorganische und zusammengesetzte Typen. Zu den anorganischen Typen zählen acht gängige Arten: Lysicon-ähnliche Elektrolyte, Argyrodit, Granat, Nasicon-ähnliche Elektrolyte, Perowskit, Lithium-Ponton (LiPON), Lithium-Hydrid und Lithium-Halogenid. Lysicon-ähnliche Elektrolyte und Argyrodit gehören zum Sulfidsystem, während Granat, Nasicon-ähnliche Elektrolyte, Perowskit und LiPON auf Oxidsystemen basieren.
Festkörperelektrolyt-Technologie. Quelle: IDTechEx
Der Wettbewerb zwischen Polymer-, Oxid- und Sulfidsystemen ist noch nicht entschieden, und Batteriehersteller testen häufig mehrere Ansätze. Polymersysteme sind einfach zu verarbeiten und stehen kurz vor der Markteinführung, doch ihre relativ hohe Betriebstemperatur, ihr geringes antioxidatives Potenzial und ihre schlechtere Stabilität stellen Herausforderungen dar. Sulfidelektrolyte bieten Vorteile wie hohe Ionenleitfähigkeit, niedrige Verarbeitungstemperatur und ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster. Diese Eigenschaften machen sie attraktiv, und viele halten sie für die beste Option. Die schwierige Herstellung und das Potenzial für toxische Nebenprodukte im Prozess verlangsamen jedoch ihre Kommerzialisierung. Oxidsysteme sind stabil und sicher, aber ihr höherer Grenzflächenwiderstand und die hohe Verarbeitungstemperatur bringen einige allgemeine Schwierigkeiten mit sich.
Dieser Bericht präsentiert, analysiert und vergleicht detaillierte Technologien. Um Festkörperbatterietechnologien, wichtige Akteure, Märkte, Chancen, Herausforderungen und mehr besser zu verstehen, konsultieren Sie bitte den IDTechEx-Bericht.
