Wie funktionieren Festkörperbatterien?

Wie funktionieren Festkörperbatterien?
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Der große Unterschied zwischen Festkörperbatterien und anderen Batterietypen besteht in der Verwendung von Festelektrolyten anstelle der in anderen Batterien verwendeten flüssigen Elektrolyte. Lithium-Ionen-Batterien haben technologische Fortschritte gemacht, aber Experten glauben weithin, dass die Lithium-Ionen-Technologie an die Grenzen ihrer Effizienz gestoßen ist. Der nächste Schritt in die Zukunft erfordert einen anderen Batterietyp, und hier kommen Festkörperbatterien ins Spiel.

Festkörperbatterien sind kleiner, leichter und bieten eine höhere Leistungsdichte als Lithium-Ionen-Batterien auf Basis flüssiger Elektrolyte. Die Hauptherausforderung für ihre weit verbreitete Anwendung war die Suche nach einem Festelektrolyten mit ausreichender Leitfähigkeit für große Batterien sowie nach einem Herstellungsverfahren, das Skaleneffekte ermöglicht.

Wie funktioniert eine Batterie?

Alle Batterien bestehen aus drei Hauptteilen: der Anode, der Kathode und dem Elektrolyten. Eine Batterie funktioniert, weil geladene Ionen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode gelangen möchten. Dies geschieht, weil die sorgfältig ausgewählten Batteriekomponenten eine chemische Reaktion hervorrufen, die freie Elektronen erzeugt. Infolgedessen baut sich an der Kathode der Batterie eine positive Ladung auf. Dies zieht die negativ geladenen freien Elektronen von der Anode an. Diese freien Elektronen wollen von Anode zu Kathode wandern. Dabei versorgen sie Ihr Gerät mit Strom.

Denken Sie daran, dass elektrische und chemische Kräfte immer ausgeglichen werden wollen. Stellen Sie sich einen geladenen Akku wie eine in eine Richtung geneigte Wippe vor. Die Ladungen wollen diese Ebene hinuntergleiten, bis die Reaktion ausgeglichen ist. Durch das Aufladen werden alle Ionen in ihre Ausgangsposition zurückgebracht. Stellen Sie sich vor, Sie laden unsere unausgeglichene Wippe aus der vorherigen Metapher auf.

Wie sind moderne Batterien besser?

Nur einige Materialien können als Batterien verwendet werden, daher müssen Komponenten aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften sehr sorgfältig ausgewählt werden. Um die Batterietechnologie voranzutreiben, muss entweder die Effizienz eines vorhandenen Batteriematerials verbessert oder neue Materialien entdeckt werden, die besser funktionieren. Und da wir an allen offensichtlichen Stellen nach Batterieverbesserungen gesucht haben, müssen wir jetzt unter die Felsen der Nanotechnologie und Materialwissenschaften schauen. Festkörperbatterien sind eine der Entdeckungen, die sich aus diesem Prozess ergeben. Sie verwenden unterschiedliche Elektrolyte, um das gleiche Ziel wie jeder andere Batterietyp zu erreichen, sind jedoch schneller, billiger und weniger explosionsanfällig.

Festkörperbatterien-Lithium-Luft-Batterie-Diagramm

Der Elektrolyt, der am besten geeignet ist, Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen, ist ein Glaselektrolyt auf Natriumbasis. Laut Forschern erzeugt ein Glaselektrolyt eine Batterie mit der dreifachen Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie. Das zur Herstellung dieser Batterien benötigte Natrium ist reichlich vorhanden. Dies reduziert die ökologischen Auswirkungen der Batterieproduktion drastisch.

Wie sind Festkörperbatterien besser?

Festkörperbatterietechnologie

Festkörperbatterien verbessern Lithium-Ionen-Batterien durch Verwendung eines Festelektrolyten anstelle eines Flüssig- oder Polymerelektrolyten. Es kommt einfach so vor, dass diese Änderung fast alle Eigenschaften der Batterie verbessert. Festkörperbatterien erfüllen alle Anforderungen unserer Fantasy-Batterietechnologie. Sie sind leicht, haben eine geringe Umweltbelastung, verwenden zahlreiche Komponenten, entzünden sich seltener und bieten mehr Leistung.

Das einzige Problem ist der Herstellungsprozess. Wir überlegen immer noch, wie wir diese Batterien billig und maßstabsgetreu herstellen können. Derzeit sind Festkörperbatterien für eine breite Anwendung zu teuer. Glücklicherweise sind wir sehr gut darin, neue Wege zu finden, um die Dinge effizienter zu gestalten. Festkörperbatterien sollten letztendlich zu Skaleneffekten führen und eine breite Akzeptanz finden.

Was sind die Verwendungszwecke für Festkörperbatterien?

Festkörperbatterien-Elektroauto

Festkörperbatterien können nahezu jedes Gerät mit einer darin enthaltenen Batterie verbessern. Sie sind besonders für Elektroautohersteller attraktiv. Unternehmen wie Tesla entwerfen im Wesentlichen ein Auto rund um die Batterie. Es ist die wichtigste Komponente, die die meisten Merkmale des Autos definiert. Branchenanalysten sagen voraus, dass das Elektroauto nur dann weit verbreitet sein wird, wenn die zwischen den Ladungen zurückgelegte Entfernung die von benzinbetriebenen Autos erreicht oder übersteigt. Festkörperbatterien könnten das Ticket für diese Zukunft sein.

Bildnachweis: Batterie mit Polymerabscheider

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