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Was ist eine Festkörperbatterie?

Juli 01, 2022

Am 9. Oktober 2019,der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften gab bekannt, dass der Nobelpreis für Chemie 2019 an John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino für ihre Beiträge zur Forschung und Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien verliehen wurde. Sie haben eine wiederaufladbare Welt geschaffen. Lithium-Ionen-Batterien werden weltweit verwendet, um die tragbaren elektronischen Geräte mit Strom zu versorgen, mit denen wir kommunizieren, arbeiten, lernen, Musik hören und nach Wissen suchen.

Wissenschaftler glauben jedoch, dass Lithium-Ionen-Batterien an ihre Grenzen gestoßen sind, und Festkörperbatterien wurden in den letzten Jahren als Batterien angesehen, die in der Lage sind, den Status von Lithium-Ionen-Batterien zu erben. Aufgrund der hohen Leistung und des Gewichts von Festkörperbatterien sind sie eine bessere Wahl für Elektrofahrzeugbatterien als Lithium-Ionen-Batterien. Lassen Sie mich Ihnen daher einige detaillierte Einführungen in Festkörperbatterien geben.


Was ist eine Festkörperbatterie?

Festkörperbatterien sind eine Batterietechnologie, die feste Elektroden und einen festen Elektrolyten anstelle der flüssigen oder Polymer-Gel-Elektrolyte verwendet, die in Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien zu finden sind.

Obwohl Festelektrolyte erstmals im 19. Jahrhundert entdeckt wurden, haben mehrere Nachteile ihre weit verbreitete Anwendung verhindert. Entwicklungen im späten 20. und frühen 21. Jahrhundert haben ab den 2010er Jahren zu einem erneuten Interesse an Festkörperbatterietechnologien geführt, insbesondere im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen.

 

Unterschied

Der Hauptunterschied zwischen Festkörperbatterien und Lithium-Ionen-Batterien ist der Elektrolyt. Lithium-Ionen-Batterien verwenden flüssige Elektrolyte, was Probleme mit Gewicht, Sicherheit und Lebensdauer hat.

Aufgrund der geringen Energie einer einzelnen Batterie müssen mehrere Batterien in Reihe geschaltet werden, was das Gewicht weiter erhöht. Aufgrund des Risikos von Instabilität und Entflammbarkeit bei hohen Temperaturen kann der flüssige Elektrolyt bei Autounfällen möglicherweise Brände verursachen. Es neigt auch dazu, bei niedrigen Temperaturen zu gefrieren, was die Reisefähigkeit verringert. Darüber hinaus kann der Elektrolyt die internen Komponenten der Batterie korrodieren, und der Vorgang des Ladens und Entladens erzeugt auch Dendriten, wodurch die Kapazität, Leistung und Lebensdauer der Batterie verringert werden.

Festkörperbatterien verwenden jedoch Festelektrolyte mit hoher Energiedichte. Obwohl die Batteriestruktur und das Ladeverfahren die gleichen wie bei herkömmlichen Lithiumbatterien sind, befindet sich im Inneren der Festkörperbatterie wenig Flüssigkeit, die interne Energiedichte ist höher und das Volumen ist kleiner. Festkörperbatterien sind leichter. Sie benötigen keine Überwachungs-, Kühl- und Wärmeisolationssysteme von Lithium-Ionen-Batterien, sodass das Fahrgestell mehr Platz für Batterien schaffen kann, was die Reisefähigkeit von Elektrofahrzeugen erheblich erhöht.




Vorteile

Nach obiger Beschreibung lassen sich die Vorteile von Festkörperbatterien kurz zusammenfassen:

--Hohe Sicherheit. Viele Festelektrolytmaterialien sind nicht brennbar, nicht korrosiv, nicht flüchtig und lecken nicht. Im Vergleich zu Flüssigelektrolyten mit brennbaren Lösungsmitteln weisen Polymer-Festelektrolyte eine deutlich verbesserte Batteriesicherheit auf.

--Hohe Energiedichte. Durch die Verwendung von metallischem Lithium als negative Elektrode erreicht die Energiedichte von Festkörper-Lithiumbatterien 300–400 Wh/kg oder sogar mehr; Durch Reduzierung des Batteriegewichts ohne flüssige Elektrolyte und Separatoren, Komprimierung des Batterieinnenraums und Erhöhung der Energiedichte.

--Lange Lebensdauer. Es vermeidet das Problem der kontinuierlichen Bildung und des Wachstums von Festelektrolyt-Zwischenphasen und Lithiumdendriten, die während des Lade- und Entladevorgangs des flüssigen Elektrolyten durch den Separator dringen, wodurch die Zyklierbarkeit und Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien erheblich verbessert werden.

- Breiter Betriebstemperaturbereich. In einem Nagelpenetrationstest haben Festkörper-Lithiumbatterien eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine ausgezeichnete Stabilität. Die Verwendung von anorganischen Festelektrolyten kann ein thermisches Durchgehen vermeiden, das durch die Reaktion von positiven und negativen Elektrodenmaterialien mit dem Elektrolyten bei hohen Temperaturen verursacht wird, und die maximale Betriebstemperatur kann 300 °C erreichen.

--Flexibilität. All-Solid-State-Lithiumbatterien können zu Dünnschichtbatterien und flexiblen Batterien verarbeitet werden. Im Vergleich zu Lithiumbatterien mit flexiblem Flüssigelektrolyt ist die Verpackung einfacher und sicherer, was in Zukunft auf Smart Wearables und implantierbare medizinische Geräte angewendet werden kann.



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