Die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien - Festbatterien?

In den letzten Tagen des Jahres 2017 kündigte der berühmte japanische Zündkerzenhersteller NGK an, die Festkörperbatterietechnologie energisch weiterzuentwickeln, um sich auf die künftige Ära des "Motors ohne Verbrennung" vorzubereiten.

Takio, Senior Engineering und F & E-General Manager bei NGK, sagte: "Wir sind uns bewusst, dass sich die Branche unweigerlich von Verbrennungsmotoren zu batteriebetriebenen Fahrzeugen verlagern wird, was letztendlich zur Veralterung unseres Geschäfts mit Zündkerzen und Sauerstoffsensoren führen wird." Der Grund, warum NGK an Festkörperbatterien beteiligt ist, liegt darin, dass seine fortschrittliche Keramiktechnologie einen Vorteil für die Entwicklung von Festkörperbatterien bietet.

Tatsächlich gab es in der Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien seit langem eine Reihe von Unternehmen. Mehrere etablierte Autohersteller, darunter Honda, Hyundai und Toyota, entwickeln Festkörperbatterietechnologie. Und der neue Staubsaugerhersteller Fisk and Dyson plant die Verwendung von Festkörperbatterien, um die Ära der Elektroautos einzuleiten.

Vielleicht sind viele Freunde mit dem Konzept der Festkörperbatterien noch nicht vertraut, aber einige Leute in der Branche glauben, dass dies die nächste Runde der Hotspots für Leistungsbatterien nach der Drei-Elemente-Lithiumbatterie sein wird. Es ist notwendig, die Eigenschaften dieses neuen Feldes zu verstehen, das sich noch in der Anhäufung von Technologie befindet.

Festkörperbatterien sind Batterien, die Festelektroden und Festelektrolyte verwenden. Da das Leistungsgewicht von Festkörperbatterien relativ hoch ist, wird es als ideale Batterie für Elektroautos angesehen. Die traditionelle Flüssiglithiumbatterie wird lebhaft als "Schaukelstuhlbatterie" bezeichnet. Die beiden Enden des Schaukelstuhls sind die positiven und negativen Pole der Batterie und des Elektrolyten (der Flüssigkeit) in der Mitte. Lithiumionen laufen wie exzellente Sportler an beiden Enden des Schaukelstuhls hin und her. Während der Bewegung von Lithiumionen von positiv zu negativ zu positiv ist der Lade- und Entladevorgang der Batterie abgeschlossen. Das Prinzip von Festkörperbatterien ist dasselbe, außer dass ihre Elektrolyte fest sind und die Struktur mit hoher Dichte es ermöglicht, dass sich mehr geladene Ionen an einem Ende sammeln, um mehr Strom zu leiten, was wiederum die Batteriekapazität erhöht. Bei gleicher Elektrizitätsmenge wird das Volumen der festen Zellen kleiner. Darüber hinaus wird die Lagerung aufgrund des Fehlens von Elektrolyten in Festkörperbatterien einfacher. Bei Verwendung in großen Geräten wie Automobilen müssen keine zusätzlichen Kühlrohre, elektronischen Steuerungen usw. hinzugefügt werden, was nicht nur Kosten spart, sondern auch das Gewicht effektiv reduziert.

Da die grundlegende Entwicklungsrichtung von lithium-ionen-batterien darin besteht, eine höhere Energiedichte zu erreichen, planen Japan und China, die Energiedichte des Kerns der Leistungsbatterie bis 2030 auf 500 W / kg zu erhöhen. Unter Berücksichtigung der Energiedichte die Grenze des flüssigen Elektrolyten Die Batterie darf nicht höher als 500 Wh / kg sein, während die aktuelle Energiedichte der Volllithium-Lithiumbatterie etwa 400 Wh / kg erreichen kann und der geschätzte maximale potenzielle Wert 900 Wh / kg beträgt.

Darüber hinaus liegt der Vorteil von Voll-Fest-lithium-batterien in Bezug auf die Sicherheit auf der Hand. Festelektrolyte sind nicht brennbare, nicht korrosive, nicht flüchtige und nicht leckende Flüssigkeiten. Gleichzeitig überwinden sie auch das Phänomen der Lithiumdendriten, und die Selbstentzündungswahrscheinlichkeit von Autos, die mit vollfesten Lithiumbatterien ausgestattet sind, wird stark verringert.

Japanische Unternehmen stehen nach wie vor an vorderster Front.

Obwohl Toyota in der Plug-in-Technologie offensichtlich hinterherhinkt, waren Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien und Wasserstoffbrennstoffzellen sehr eng. Sie planen, Lithiumbatterien bis 2020 durch feste Batterien zu ersetzen, deren Energiedichte drei- bis viermal so hoch ist wie die von Lithiumbatterien. Toyota wird bis 2020 Vollbatterien vermarkten und in den kommenden Jahren Lithium-Luft-Batterien verwenden, sagte Shigekizuki, ein leitender Materialingenieur bei Toyota.

Am 24. November 2016 hat Mitsui Metal den Sulfid-Festelektrolyten für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien freigegeben. Mitsui Metal wird mit Batterieherstellern und Autoherstellern zusammenarbeiten, um bis 2020 eine Massenproduktion zu erreichen.

Hitachi ist auch in der Entwicklung von Festkörperbatterien sehr weit fortgeschritten. Takashi Tanisho, Präsident von Hitachi, sagte, dass Proben von Festkörperbatterien an potenzielle Kunden in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie gesendet wurden. Darüber hinaus arbeitet Hitachi mit einem unbekannten japanischen Batteriehersteller zusammen, um einige Details zu verfeinern und Festkörperbatterien bis 2020 auf den Markt zu bringen. Möglicherweise wird Hitachi nicht unter der Marke Hitachi verkauft. Tatsächlich hat Hitachi eine führende Position in der Spitzentechnologie behauptet, und Hitachi hat eine Lithium-Ionen-Batterietechnologie für ein reines Elektroauto mit einer Lebensdauer von etwa 400 Kilometern entwickelt.

Europäische und amerikanische Unternehmen sind gleichermaßen aggressiv

Bereits 2015 hat die Bosch Group, ein Hersteller von Autoteilen, erfolgreich Seeo Battery Co., ein Unternehmen mit Sitz in Haiwodeshi, Kalifornien, übernommen. Mit der neuen Generation von Festkörper-Lithium-Elektronen-Batterien von Seeo kann die Energiedichte der Batterie von 50% auf 100% erhöht werden. Derzeit wurden Batterien mit einer Energiedichte von 350 Wh / kg entwickelt, was etwa der doppelten Batteriedichte in derzeit verwendeten Elektrofahrzeugen entspricht. Dichte. Der DryLyte-Festpolymerelektrolyt von Seeo ist nicht flüchtig oder entflammbar, was bedeutet, dass der Elektrolyt bei höheren Temperaturen verwendet werden kann.

Im November 2017 meldete die aufstrebende Elektroautomarke Fisker ein Patent für eine Festkörper-Lithiumbatterie mit einer maximalen Lebensdauer von 800 Kilometern und einer Ladung von nur 1 Minute an. Fiskers Projektleiter für Festkörperbatterien ist der Gründer von Sakti3, einem Festkörperbatterieunternehmen von Dyson. Im Jahr 2015 gab Sakti3 an, eine neue Festkörperbatterie mit Kosten von bis zu 100 USD pro Wattstunde und einer Energiedichte von bis zu 1.000 Watt / kg entwickelt zu haben. Fisker sagte in seiner Pressekonferenz, dass Festkörperbatterien viele Einschränkungen aufweisen, wie z. B. geringe Leistung und niedrige Raten, die durch geschichtete Elektrodenstrukturen und niedrige Temperaturen verursacht werden. Die Ladetechnologie von Fisker verwendet eine dreidimensionale Elektrodenstruktur, die die Oberfläche der Elektrode 25-mal größer macht als die Fläche des planaren Films. Diese Struktur kann sich an verschiedene Spannungs- und Formfaktoren anpassen, und die Energiedichte beträgt das 2,5-fache einer Lithiumbatterie.

Darüber hinaus haben BMW und Apple bereits mit der Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien begonnen.

Auch chinesische Unternehmen haben mit dem Layout begonnen

Bei Elektrofahrzeugen haben chinesische Unternehmen immer mit der Welt Schritt gehalten. Am 9. August 2017 begann das Polymer-Festkörper-Lithiumbatterieprojekt der chinesischen Gasbatterie (Zhejiang) mit dem Bau im Songyang-Unterbezirk des ökologischen Industrieclusters Lishui.

Bereits Ende 2016 hat die Ningde-Ära ihre Entschlossenheit zum Ausdruck gebracht, "Festkörperbatterien" einzusetzen. Die Ningde-Ära führte eine Umfrage unter Unternehmen durch, die weltweit Festkörperbatterien herstellen, bevor sie Festkörperbatterien herstellen. Im F & E-Prozess der Ningde-Ära wurde auch auf die Herstellung von Festkörperbatterien geachtet. Der gesamte Herstellungsprozess von Festkörperbatterien unterscheidet sich von dem herkömmlicher Lithium-Ionen-Herstellungsverfahren und erfordert neue Geräte und neue Verfahren. Daher führt die Ningde-Ära gleichzeitig auch den Prozess durch. F & E.

Festkörperbatterien haben einen guten Ausblick, aber der größte Test ist der Preis. Flüssige Lithiumbatterien kosten etwa 200 bis 300 Dollar pro Kilowattstunde. Wenn Sie vorhandene Technologie verwenden, um Festkörperbatterien für Smartphones herzustellen, werden die Kosten 15.000 US-Dollar erreichen, und die Kosten für Festkörperbatterien, die Autos antreiben können, werden schwanken. 90 Millionen US-Dollar. Der Hauptgrund für die hohen Produktionskosten von Festkörperbatterien ist, dass sie ineffizient sind.

Kleine Strombewertung:

Festkörperbatterien haben zwei größte Vorteile: die Energiedichte und die Sicherheit. Diese beiden sind genau dort, wo die heißeste Drei-Elemente-Lithiumbatterie schwer zu zerbrechen ist, so dass es nicht verwunderlich ist, dass sie der Windauslass für die nächste Batterierunde ist. Aufgrund des Mangels an technischer Reife der Festkörperbatterie-Vorbereitungstechnologie ist die Anzahl der Unternehmen, die Produktionskapazitäten in großem Maßstab aufbauen können, begrenzt, und es gibt immer noch viele Schwierigkeiten, die durch eine Erweiterung der Technologie in großem Maßstab überwunden werden müssen. Es befindet sich noch in der Phase der Forschung und Entwicklung sowie der Testproduktion. Es ist jedoch zu erwarten, dass mit der kontinuierlichen Entwicklung von F & E und Industrietechnologie die wissenschaftlichen und technologischen Probleme von Festkörperbatterien schrittweise gelindert werden. Gegenwärtig können Sie sehen, dass die Technologie, die in Zukunft gefördert werden kann, auch Brennstoffzellen, Superkondensatoren, Aluminiumluftzellen, Magnesiumzellen usw. umfasst. Ob feste Batterien hervorstechen können, erfordert viele Anstrengungen.

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