Einfach, oder? Allerdings ist nichts an diesen Batterien wirklich einfach, wenn man sich erst einmal mit den Details beschäftigt, was ich gleich tun werde, weil ich nicht anders kann.
Warum aber Lithium? (Hier werde ich nervig)
Element Nummer 3. Wasserstoff, Helium, Lithium. Das ist die Reihenfolge. Superwinziges Atom, weil es nur 3 Protonen hat.
Und hier ist die Sache mit Lithium: - Es möchte WIRKLICH sein äußeres Elektron loswerden. Möchte es unbedingt. Auf diese Weise ist es irgendwie instabil. Kennen Sie diese Videos von Menschen, die Natrium ins Wasser werfen und es sprudelt und Feuer fängt? Lithium macht das, aber MEHR. Ich habe einmal bei einer Sicherheitsdemonstration im Jahr 2011 (oder 2012?) beobachtet, wie jemand ein Stück Lithiummetall in einen Eimer Wasser fallen ließ, und es war ehrlich gesagt irgendwie beängstigend, wie schnell es reagierte. Der Eimer ist geschmolzen.
Warte, nein, der Eimer ist nicht geschmolzen. Das Wasser kochte und das Lithium fing an der Oberfläche Feuer. Der Eimer war in Ordnung. Mein Gedächtnis ist Scheiße.
Der Punkt ist jedenfalls: Reines Lithiummetall ist gefährlich. Aus diesem Grund verwenden moderne Lithium-Ionen-Batterien kein reines Lithiummetall, sondern Lithium-IONEN. Bereits oxidiertes Lithium. Die Li+-Form. Viel stabiler.
Die Spannung, die Sie erhalten, liegt bei etwa 3,6–3,7 V pro Zelle, was in Ordnung ist. Besser als Alkali (1,5 V) oder NiMH (1,2 V). Das bedeutet, dass Sie weniger Zellen benötigen, um Ihre Zielspannung zu erreichen. Deshalb hat Ihr Laptop-Akku 6 statt 15 Zellen.
Auch - und das hätte ich zuerst erwähnen sollen - Lithium ist LICHT. Drittleichtestes Element. So erhalten Sie eine hohe Energiedichte ohne wahnsinniges Gewicht. Aus diesem Grund verwenden Elektrofahrzeuge Lithium-Ionen und keine Blei-Säure. Eine Blei-Säure-Batterie mit der gleichen Energie würde buchstäblich fünf- bis sechsmal mehr wiegen. Für den Batteriewechsel bräuchte Ihr Tesla einen Gabelstapler.
Die eigentlichen Komponenten (Schnall dich an, das wird technisch)
Anode (negative Seite):
Normalerweise Graphit. Ja, das gleiche Zeug wie in Bleistiften, nur viel reiner und anders verarbeitet.
Graphit hat diese geschichtete Kristallstruktur - stellen Sie sich ein Kartenspiel auf atomarer Ebene vor. Die Schichten werden durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten (die High-School-Chemie kommt zurück, um Sie zu verfolgen). Lithiumionen können zwischen diesen Schichten hindurchschlüpfen und einfach... dort hängen bleiben. Der technische Begriff ist „Interkalation“, aber ich stelle es mir wie das Parken von Autos in einer mehrstöckigen Garage vor.
Die theoretische maximale Kapazität beträgt 372 Milliampere-Stunden pro Gramm. In der Realität-erreicht man 340–360 mAh/g, wenn die Herstellung nicht schlecht ist. Ich habe Zellen einiger chinesischer Hersteller gesehen, die kaum 310 mAh/g erreichen konnten. Ich werde keine Namen nennen, aber wenn Sie die Buchstaben in „BYD“ neu anordnen, erhalten Sie … okay, ich nenne Namen. Ihre frühen Zellen waren rau. Allerdings sind sie seit etwa 2018 viel besser geworden.
Jetzt reden alle immer wieder über Siliziumanoden, weil Silizium theoretisch zehnmal mehr Lithium aufnehmen kann als Graphit. Klingt erstaunlich, oder? 3700+ mAh/g theoretische Kapazität.
Das Problem - und das ist das Problem, das „fast gelöst“ ist, seit ich in dieser Branche angefangen habe -, besteht darin, dass sich Silizium um etwa 300 % ausdehnt, wenn man es lithiiert. Die Partikel zerplatzen buchstäblich. Stellen Sie sich vor, Sie blasen einen Ballon in einem Betonblock auf. Der Beton verbiegt sich nicht, er bricht nur.
Tesla verwendet jetzt etwas Silizium, gemischt mit Graphit. Vielleicht 5-10 % Silizium? Ich habe gehört, dass es 8 % waren, aber ich könnte mich irren. Der Punkt ist, dass es sich um eine kleine Menge handelt. Anoden aus reinem Silizium sind trotz der Behauptungen jedes Startup-Pitchdecks der Serie A immer noch nicht fertig.
Kathode (positive Seite):
Oh Junge. Hier wird es chaotisch, denn es gibt ungefähr sechs verschiedene Kathodenchemien und jeder hat eine Meinung darüber, welche die beste ist, und alle liegen falsch, weil es von Ihrer Anwendung abhängt.
Das Original von Sony aus dem Jahr 1991 war Lithiumkobaltoxid - LiCoO₂. Wir nennen es kurz „LCO“. Die Energiedichte beträgt ziemlich gut - 150-200 mAh/g, je nachdem, wer sie hergestellt hat. Aber die thermische Stabilität ist schrecklich. Wenn man es überlädt oder zu heiß wird, setzt die Kristallstruktur Sauerstoff frei. Sauerstoff + organischer Elektrolyt + Hitze=schlechter Tag. Ihr Telefon verwendet jedoch wahrscheinlich LCO, da Telefone nicht 10 Jahre halten müssen und Sie sie nicht bei 10 °C schnell{13}aufladen.
Dann gibt es noch NMC - Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid. Dies ist, was die meisten Elektrofahrzeuge derzeit verwenden. Das Verhältnis von Nickel zu Mangan zu Kobalt ändert sich ständig. Begonnen als 1:1:1 (gleiche Teile). Dann gingen die Hersteller zu 5:3:2 über. Dann 6:2:2. Jetzt liegen wir in einigen High-End-Zellen bei etwa 8:1:1 oder sogar 9:0,5:0,5.
Warum die Verschiebung? Kobalt ist teuer. Wie wirklich teuer. Außerdem stammt das meiste Kobalt aus der Demokratischen Republik Kongo (Demokratische Republik Kongo), und die Bergbausituation dort ist ... kompliziert. Kinderarbeit, unsichere Bedingungen, das ganze Chaos. Daher versuchen alle, weniger Kobalt zu verwenden.
Mehr Nickel=mehr Kapazität, aber weniger thermische Stabilität. Mehr Mangan=billiger und stabiler, aber weniger Kapazität. Mehr Kobalt=stabiler und bessere Zyklenlebensdauer, aber $$$ und ethische Probleme.
Es sind immer-Kompromisse. Stets. Ich habe darüber so oft mit Produktmanagern gestritten. Sie wollen eine hohe Energiedichte UND eine lange Lebensdauer UND niedrige Kosten UND gute Sicherheit. Sie können vielleicht zwei auswählen. Vielleicht.
Es gibt auch NCA - Nickel-Kobalt-Aluminium. Tesla nutzte dies jahrelang in seinen Langstrecken-Rucksäcken. Panasonic hat sie in der Gigafactory in Nevada hergestellt. Ich habe einmal eine andere Batteriefabrik besichtigt - nicht diese, sondern die Anlage eines Mitbewerbers - und allein der Trockenraum war der Wahnsinn. Das Lüftungssystem kostete wahrscheinlich 50+ Millionen US-Dollar. Alles muss unter -40 Grad Taupunkt liegen, sonst nimmt das Elektrolytsalz Feuchtigkeit auf und erzeugt Flusssäure. HF frisst sich durch alles. Glas, Metall, Knochen. Böses Zeug.
Oh und LFP - Lithiumeisenphosphat. Dieser feiert ein Comeback. Es ist sicherer, günstiger pro kWh und hält länger. Ich habe von LFP-Zellen gehört, die 5000+ Zyklen bis zu einer Kapazität von 80 % durchführen. Vielleicht sogar 6000. Der Nachteil ist eine geringere Energiedichte - von nur 120–140 mAh/g gegenüber 180–200 für NMC.
Tesla begann etwa im Jahr 2021 damit, LFP in seine Standard Range Model 3 einzubauen. Der chinesische Markt bekam sie zuerst. Macht Sinn - CATL ist der größte LFP-Hersteller und hat seinen Sitz in China.
Einige Leute beschweren sich über den Verlust der LFP-Reichweite bei kaltem Wetter. Es ist schlimmer als NMC. Da die Zellen jedoch günstiger sind und länger halten, ist es für viele Anwendungen einen Kompromiss wert.- Für ein Stadtauto würde ich ein LFP-Paket nehmen. Für einen Langstrecken-Autobahnkreuzer vielleicht nicht.
Elektrolyt:
Das ist die Flüssigkeit in der Mitte. Es leitet Ionen, aber keine Elektronen, was wichtig ist, denn wenn es Elektronen leiten würde, gäbe es nur einen Kurzschluss.
Normalerweise handelt es sich um Lithiumhexafluorphosphat - LiPF₆ -, gelöst in organischen Lösungsmitteln. Die Lösungsmittel sind typischerweise eine Mischung aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) oder Diethylcarbonat (DEC).
Hier ist ein seltsames Detail: EC ist bei Raumtemperatur fest. Der Schmelzpunkt liegt bei etwa 36 Grad. Reines EC würde also im Winter gefrieren. Deshalb mischt man es mit DMC oder DEC, die bis zu -70 Grad oder was auch immer flüssig sind. Die Mischung bleibt unter angemessenen Bedingungen flüssig.
Auch organische Carbonate sind brennbar. Nicht auf Benzinniveau-brennbar, aber durchaus brennbar. Ich habe einmal einen Nagelpenetrationstest gesehen, bei dem wir absichtlich einen Nagel durch eine voll aufgeladene Zelle getrieben haben. Zuerst wurde Gas abgelassen - Knallgeräusch -, dann schossen Flammen aus der Entlüftungsöffnung. Erreicht etwa 2 Meter Höhe. Den Aufnahmen der Wärmebildkamera zufolge erreichte die gesamte Zelle eine Temperatur von etwa 800 Grad.
Das war ein kontrollierter Test mit Brandbekämpfung und allem. Trotzdem beängstigend.
Das LiPF₆-Salz ist höllisch hygroskopisch. Liebt Wasser. Wenn es nass wird, hydrolysiert es zu HF. Deshalb erfolgt die Batterieherstellung in extrem trockenen Räumen. Ich spreche von einem Taupunkt von -40 Grad oder weniger. Die Entfeuchtungsanlage ist in der Regel einer der größten Energieverbraucher in einer Zellfabrik.
Ich habe einmal eine Einrichtung besucht, in der der Trockenraum so trocken war, dass es beim Atmen wehtat. Ihre Nase würde innerhalb von Minuten austrocknen. Jeder, der dort arbeitete, musste ständig Kochsalzlösung verwenden. Kein angenehmes Arbeitsumfeld.
Separator:
Die vergessene Komponente. Es ist nur eine dünne Polymermembran, aber sie ist kritisch.
Normalerweise Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE). Manchmal eine Dreischicht mit PP-PE-PP. Die Dicke beträgt typischerweise 20–25 Mikrometer. Das ist dünn. Dünner als ein menschliches Haar (70–100 Mikrometer).
Es verfügt über mikroskopisch kleine Poren - mit einem Durchmesser von 100 Nanometern -, die Ionen durchlassen, Elektronen jedoch blockieren. Außerdem bleiben Anode und Kathode physisch getrennt. Wenn sie=Kurzschluss=berühren, passieren schnell schlimme Dinge.
Erinnern Sie sich an die Brände des Samsung Galaxy Note 7? 2016. Dies war zum Teil auf Schäden am Abscheider zurückzuführen. Samsung hat den Akku zu aggressiv gestaltet. Zu dünn, zu eng gepackt, keine Ausdehnungstoleranz. Bei einigen Zellen wurde der Separator in einer Ecke zu stark gedrückt. Es entstand eine Schwachstelle. Irgendwann bekam ich ein Loch. Interner Kurzschluss. Thermisches Durchgehen. Feuer.
Sie riefen 2,5 Millionen Telefone zurück. Aus Flugzeugen verboten. Kostet Samsung Milliarden. Alles wegen eines Stücks Plastik, das dünner als Papier ist.
Ich habe eine Meinung zu aggressivem Batteriedesign. Die Hersteller drängen weiterhin darauf, dünner und leichter zu werden, um die Konkurrenz zu schlagen. Aber es gibt eine Grenze. Der Physik ist Ihr Produkteinführungsplan egal.
Wie es tatsächlich funktioniert (der Teil, den jeder überspringt)
Aufladen:
Sie schließen Ihr Telefon an. Das Ladegerät zwingt Elektronen in die Anode und zieht sie von der Kathode ab. Dadurch setzt die Kathode Lithiumionen frei. Die Ionen wandern durch den Elektrolyten zur Anode. Sie werden in die Graphitstruktur eingelagert.
Stellen Sie sich das so vor, als würde man eine Feder zusammendrücken. Die Lithiumionen wollen von Natur aus nicht in der Anode sein -, sie sind in der Kathode stabiler. Aber Sie zwingen sie dorthin, indem Sie Spannung anlegen. Gespeicherte Energie.
Entladen:
Sie ziehen den Stecker aus der Steckdose und benutzen Ihr Telefon. Die Frühlingsfreigaben. Durch den Elektrolyten fließen Lithiumionen zurück zur Kathode. Elektronen fließen durch den Schaltkreis Ihres Telefons von der Anode zur Kathode. Dieser Elektronenfluss treibt Ihr Gerät an.
Die Spannung hängt von der Chemie und dem Ladezustand ab. Für NMC oder NCA:
Vollständig aufgeladen: ~4,2 V
Nominell: ~3,7 V
Vollständig entladen: ~3,0 V
Gehen Sie nicht unter 3,0 V, sonst beginnen Sie mit der Beschichtung von Lithiummetall, was gefährlich ist. Gehen Sie nicht über 4,2 V hinaus, sonst besteht die Gefahr eines thermischen Durchgehens. Aus diesem Grund gibt es Batteriemanagementsysteme (BMS). Sie überwachen Spannung, Temperatur und Strom und schalten alles ab, wenn etwas nicht stimmt.
Ein gutes BMS-Design ist schwierig. Wirklich schwer. Sie benötigen schnelle Reaktionszeiten, genaue Sensoren und redundante Sicherheitsprüfungen. Ein günstiges BMS ist eine der schnellsten Möglichkeiten, eine anständige Batterie in eine Brandgefahr zu verwandeln.
Die Probleme (oh Mann, es gibt so viele Probleme)
Problem 1: Eine Verschlechterung ist unvermeidlich
Jeder Lade--Entladezyklus beschädigt den Akku. Unvermeidlich. Thermodynamik.
Es gibt dieses Ding namens SEI-Schicht -Festelektrolyt-Interphase -, das sich auf der Anodenoberfläche bildet. Es ist tatsächlich notwendig, dass die Batterie funktioniert. Aber es wächst mit der Zeit weiter und verbraucht aktives Lithium. Nach 500 Zyklen sind möglicherweise noch 90 % der Kapazität übrig. Nach 1000 vielleicht 80 %. Nach 2000... kommt darauf an.
Ich habe ein MacBook aus dem Jahr 2015, das immer noch einen Akkuzustand von 78 % anzeigt. Ich liebe es allerdings - lasse es selten unter 40 % fallen, lasse es, wenn möglich, angeschlossen und lade es niemals in einem heißen Auto auf. Meine Frau hat ein MacBook von 2018, das zu 62 % gesund ist, weil sie es stark beansprucht. Führt jeden Tag einen Vollzyklus durch, lässt es über Nacht aufladen und benutzt es auf ihrem Schoß, solange es heiß ist. Wie Sie mit der Batterie umgehen, ist sehr wichtig.
Auch die Kathode verschlechtert sich. NMC mit hohem-Nickelgehalt sind besonders schlecht. Oberhalb von 4,3 V beginnt die Kathodenoberfläche mit dem Elektrolyten zu reagieren. Übergangsmetallionen (Nickel, Mangan, Kobalt) können sich auflösen und zur Anode wandern, wo sie den SEI durcheinander bringen. Es gibt auch die sogenannte Kathodenverdichtung, bei der sich die Kristallstruktur langsam verdichtet und an Porosität verliert.
Das kann man nicht wirklich verhindern. Es ist einfach Chemie. Entropie gewinnt immer.
Problem 2: Die Temperatur zerstört alles
Unter 0 Grad wird der Elektrolyt zähflüssig wie kalter Honig. Der Ionentransport verlangsamt sich. Bei -10 Grad verlieren Sie vielleicht 20-30 % Kapazität. Schlimmer noch: Wenn Sie versuchen, eine kalte Batterie schnell aufzuladen, plattieren Sie metallisches Lithium auf der Anode, anstatt es zu interkalieren. Dadurch entstehen Dendriten – nadelartige Strukturen aus Lithiummetall, die wachsen und schließlich den Separator durchdringen können. Interner Kurzschluss. Feuer.
Oberhalb von 40–45 Grad beschleunigen sich alle Abbaureaktionen. Faustregel: Jede Erhöhung um 10 Grad verdoppelt die Reaktionsgeschwindigkeit. Eine Batterie verschlechtert sich also bei 45 Grad etwa viermal schneller als bei 25 Grad.
Ich lebe in Texas. Die Sommertemperaturen erreichen 100 Grad F+ (38 Grad +). Ich habe Elektroauto-Batterien gesehen, die allein durch Hitzeeinwirkung innerhalb von drei Jahren 15 % ihrer Kapazität verloren haben. Unterdessen verschlechtern sich Elektrofahrzeuge in Minnesota im Sommer kaum, - verlieren aber im Winter aufgrund der Kälte an Reichweite. Kann nicht gewinnen.
Die ideale Betriebstemperatur liegt bei 20-25 Grad. Viel Glück dabei, das in der realen Welt aufrechtzuerhalten.
Problem 3: Schnelles Laden ist grundsätzlich problematisch
Jeder möchte ein 10-minütiges Laden seines Elektrofahrzeugs wie an einer Tankstelle. Wenn jedoch enorme Energie durch eine Batterie geleitet wird, entsteht Wärme. I²R-Verluste – Strom im Quadrat mal Widerstand. Der Widerstand ist klein, aber nicht Null. Beim Laden mit 250 kW erzeugen Sie erhebliche Wärme.
Auch schnelles Laden belastet die Elektrodenmaterialien mechanisch. Zwingt Ionen dazu, sich schnell durch die Struktur zu bewegen. Kann mit der Zeit zu Rissen und Partikelbrüchen führen.
Tesla-Supercharger (V3) können eine Spitzenleistung von 250 kW erreichen. Aber sie verjüngen sich schnell. Vielleicht 250 kW für 5 Minuten, dann 150 kW, dann 100 kW, dann 50 kW. Das ist das BMS, das die Zellen schützt.
Neuere 800-V-Systeme von Porsche und Hyundai können 350 kW leisten. Aber nur kurz. Physik ist Physik.
Es gibt Forschungen zu für schnelles{0}Laden-optimierten Elektrodendesigns. Dünnere Elektroden, kleinere Partikel, bessere Beschichtungen. Es hilft. Aber man kann die Thermodynamik nicht betrügen.
Problem 4: Feuer
Lithium-Ionenbatterien fangen nicht oft Feuer. Viel weniger als Benzinautos. Aber wenn sie es tun, ist es dramatisch.
Thermisches Durchgehen. Sobald eine Zelle eine kritische Temperatur - erreicht, variiert je nach Chemie, vielleicht 150-200 Grad – beginnen exotherme Reaktionen. SEI zerfällt. Separator schmilzt. Elektrolyt kocht. Kathode gibt Sauerstoff ab. Jede Reaktion erzeugt Wärme, die weitere Reaktionen auslöst. Positive Rückkopplungsschleife.
Man kann es nicht wie ein normales Feuer mit Wasser löschen. Ich meine, man kann Wasser darauf gießen, um es abzukühlen, aber die Zelle erzeugt intern weiterhin Wärme. Feuerwehren hassen Brände von Elektrofahrzeugen. Das Löschen dauert Stunden. Kann später wieder entzündet werden.
Moderne Zellen verfügen jedoch über Sicherheitsfunktionen. Abscheider, die bei Erwärmung schließen, abschalten. Druckentlüftungen. Aktuelle Interrupts. Thermosicherungen. Außerdem überwacht das BMS alles.
Kommt aber trotzdem manchmal vor. Macht jedes Mal Schlagzeilen, obwohl Elektroautos statistisch gesehen sicherer sind als Benzinautos. PR-Problem.
Problem 5: Kobalt-Ethik
70 % des Kobalts stammen aus der Demokratischen Republik Kongo. Vieles davon stammt aus Kleinbergwerken mit schlechten Arbeitsbedingungen. Berichte über Kinderarbeit. Umweltschäden. Es ist ein Chaos.
Alle versuchen, weniger Kobalt zu verwenden. NMC mit hohem-Nickelgehalt verbraucht sehr wenig. LFP verwendet Null. Kobalt stabilisiert jedoch die Kathodenstruktur. Ohne sie benötigen Sie ein besseres Wärmemanagement und strengere Spannungsgrenzen.
Auch die Kobaltpreise sind verrückt. Unter 30.000 $/Tonne im Jahr 2016. Anstieg auf über 90.000 $ im Jahr 2018. Absturz auf 25.000 $ im Jahr 2020. Jetzt etwa 35.000 $/Tonne. Wie planen Sie die Produktion, wenn Ihre Rohstoffkosten dreimal schwanken?
Problem 6: Chaos in der Lieferkette
Die Lithiumpreise sind in den Jahren 2021 und 2022 absolut durchgedreht. 6.000 $/Tonne im Jahr 2020. Höchststand bei etwa 80.000 $/Tonne Ende 2022. Absturz auf 12.000 $/Tonne im Jahr 2024. Jetzt etwa 15.000 $/Tonne im Jahr 2025.
Das meiste Lithium stammt aus Australien (Abbau von Hartgestein) oder Südamerika (Solegewinnung aus Salzebenen in Chile/Argentinien/Bolivien - das „Lithiumdreieck“). Der Großteil der Verarbeitung findet jedoch in China statt. Etwa 75 % der weltweiten Lithiumraffinierungskapazität.
China kontrolliert auch die Batterieproduktion von - 75 % der weltweiten Zellproduktion. Und 90 % der Anodenmaterialien (Graphitverarbeitung).
Aus diesem Grund bemühen sich die USA und Europa um den Aufbau inländischer Lieferketten. Aber es ist langsam. Der Bau einer Gigafabrik dauert Jahre. Der Aufbau der vorgelagerten Lieferkette dauert länger.
Lithium in Batteriequalität-muss hochrein sein. Weniger als 0,01 % Verunreinigungen. Dieser Grad der Veredelung ist weder billig noch schnell.
Warum wir (vorerst) bei Lithium--Ionen stecken bleiben
Trotz allem, worüber ich mich gerade beschwert habe, ist Lithium-Ion immer noch die beste Option im kommerziellen Maßstab.
Energiedichte: 250–300 Wh/kg auf Zellebene. Vielleicht 160–180 Wh/kg auf Packebene nach Hinzufügung von Kühlung, Struktur und BMS. Das reicht für 300+ Meilen lange Elektrofahrzeuge ohne lächerliches Gewicht.
Vergleichen:
Blei-Säure: 30–50 Wh/kg (verdammt schwer)
NiMH: 60-120 Wh/kg (was Prius verwendet hat)
NiCd: 40–60 Wh/kg (ebenfalls giftig, größtenteils aus dem Verkehr gezogen)
Die Fertigung ist ausgereift. Dutzende Lieferanten. Mehrere Gigafabriken. Etablierte Lieferketten. Skaleneffekte.
Teslas Gigafabrik in Nevada strebt 35 GWh/Jahr an. Das reicht für mehr als 500.000 Elektrofahrzeuge. CATL in China leistet sogar noch mehr -, glaube ich, 200+ GWh/Jahr? Vielleicht 300? Ich müsste es überprüfen.
Die gesamte Infrastruktur setzt ebenfalls auf Lithium-Ionen. Ladestandards (CCS, NACS, CHAdeMO). BMS-Algorithmen. Sicherheitsvorschriften. Recyclingprozesse. Man kann nicht einfach eine andere Chemie einbauen, ohne alles neu zu gestalten.
Was könnte es irgendwann ersetzen?
Festkörperbatterien-:Ersetzen Sie flüssigen Elektrolyten durch festes Keramik-, Glas- oder Sulfidmaterial. Vorteile: keine Leckage, geringere Brandgefahr, möglicherweise Verwendung von Lithium-Metall-Anoden für eine höhere Energiedichte.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - alle arbeiten daran. QuantumScape gibt 800 Wh/kg in Laborzellen mit 800+ Zyklen an. Beeindruckend, wenn wahr.
Probleme: Grenzflächenwiderstand zwischen Festelektrolyt und Elektroden. Es ist schwierig, über Tausende von Zyklen hinweg einen guten Kontakt aufrechtzuerhalten, da sich die Materialien ausdehnen/zusammenziehen. Die meisten Festelektrolyte sind spröde -, Dendriten können durch sie hindurchbrechen. Die Herstellung im großen Maßstab ist völlig unbewiesen.
Ich bin skeptisch, dass wir das vor 2030 in Mainstream-Autos sehen werden. Vielleicht 2028, wenn jemand einen Durchbruch schafft. Aber wahrscheinlich später. Ich habe in den letzten 10 Jahren gehört: „Solid-State ist 5 Jahre entfernt.“
Lithium-Schwefel:Theoretische Energiedichte von 2600 Wh/kg. Schwefel ist billig und reichlich vorhanden.
Problem: Polysulfid-Shuttle-Effekt. Zwischenprodukte lösen sich im Elektrolyten auf und führen zu einem schnellen Kapazitätsverlust. Nach 50 Zyklen ist der Akku leer.
Das Problem ist seit 20+ Jahren „fast gelöst“. Immer noch nicht da.
Natrium-ion:Passiert jetzt tatsächlich. CATL hat 2023 mit der Produktion begonnen. BYD arbeitet daran.
Natrium ist überall (Meerwasser). Viel billiger als Lithium. Kann ähnliche Fertigungsanlagen verwenden.
Die Energiedichte ist jedoch geringer: 150-160 Wh/kg gegenüber 250–300 bei Lithium-Ionen.
Sinnvoll für stationäre Speicher und preisgünstige Elektrofahrzeuge. Lithium--Ionen werden in Premiumprodukten in absehbarer Zeit nicht ersetzt.
Lithium-Metallanoden:Verwenden Sie Lithiummetall anstelle von Graphit. Halten Sie flüssigen Elektrolyten bereit. Könnte auf Zellebene 400–500 Wh/kg erreichen.
Das Dendritenproblem besteht weiterhin. Jeder hat seine eigene Lösung - Beschichtungen, Elektrolytzusätze usw. Wir werden sehen, wer zuerst Erfolg hat.
Oh undLithium-Polymer-Batterien- sollte diese wahrscheinlich erwähnen. Sie verwenden Gel- oder feste Polymerelektrolyte anstelle von Flüssigkeiten. Dünnere, leichtere, flexiblere Formen. Ihre kabellosen Ohrhörer haben wahrscheinlich einen. Etwas sicherer als Flüssigkeit, aber die Energiedichte ist ungefähr gleich. Es handelt sich immer noch um Lithium-{6}Ionen-Technologie, nur anders verpackt. Marketingabteilungen lieben es, sie „LiPo“ zu nennen, als wäre es etwas Revolutionäres. Das ist es nicht.
