Die dringende Notwendigkeit, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, treibt einen raschen Schritt hin zur Elektrifizierung des Verkehrs und zur Ausweitung des Einsatzes von Solar- und Windenergie im Netz voran.Sollten sich diese Trends wie erwartet verstärken, wird der Bedarf an besseren Methoden zur Speicherung elektrischer Energie zunehmen.
Wir brauchen alle Strategien, die uns zur Verfügung stehen, um der Bedrohung durch den Klimawandel zu begegnen, sagt Dr. Elsa Olivetti, außerordentliche Professorin für Materialwissenschaften und -technik bei Esther und Harold E. Edgerton.Die Entwicklung netzbasierter Massenspeichertechnologien ist eindeutig von entscheidender Bedeutung.Aber für mobile Anwendungen – insbesondere im Transportwesen – konzentrieren sich viele Forschungsarbeiten auf die Anpassung heutiger AnwendungenLithium-Ionen-Batterienum sicherer und kleiner zu sein und im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht mehr Energie zu speichern.
Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien werden immer weiter verbessert, ihre Einschränkungen bleiben jedoch bestehen, teilweise aufgrund ihrer Struktur.Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus zwei Elektroden, einer positiven und einer negativen, die in einer organischen (kohlenstoffhaltigen) Flüssigkeit eingebettet sind.Beim Laden und Entladen der Batterie werden geladene Lithiumpartikel (oder Ionen) durch den flüssigen Elektrolyten von einer Elektrode zur anderen geleitet.
Ein Problem bei dieser Konstruktion besteht darin, dass der flüssige Elektrolyt bei bestimmten Spannungen und Temperaturen flüchtig werden und Feuer fangen kann.Die Batterien sind bei normalem Gebrauch im Allgemeinen sicher, aber das Risiko bleibt bestehen, sagt Dr. Kevin Huang Ph.D.'15, ein Forscher in Olivettis Gruppe.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass Lithium-Ionen-Batterien nicht für den Einsatz in Autos geeignet sind.Große, schwere Batteriepakete beanspruchen Platz, erhöhen das Gesamtgewicht des Fahrzeugs und verringern die Kraftstoffeffizienz.Es erweist sich jedoch als schwierig, die heutigen Lithium-Ionen-Batterien kleiner und leichter zu machen und gleichzeitig ihre Energiedichte – die pro Gramm Gewicht gespeicherte Energiemenge – beizubehalten.
Um diese Probleme zu lösen, ändern Forscher die Hauptmerkmale von Lithium-Ionen-Batterien, um eine Vollfest- oder Festkörperversion zu schaffen.Sie ersetzen den flüssigen Elektrolyten in der Mitte durch einen dünnen Festelektrolyten, der über einen weiten Spannungs- und Temperaturbereich stabil ist.Bei diesem Festelektrolyten verwendeten sie eine positive Elektrode mit hoher Kapazität und eine negative Elektrode aus Lithiummetall mit hoher Kapazität, die weitaus weniger dick war als die übliche poröse Kohlenstoffschicht.Diese Änderungen ermöglichen eine viel kleinere Gesamtzelle bei gleichzeitiger Beibehaltung ihrer Energiespeicherkapazität, was zu einer höheren Energiedichte führt.
Diese Merkmale – erhöhte Sicherheit und höhere Energiedichte– sind wahrscheinlich die beiden am häufigsten angepriesenen Vorteile potenzieller Festkörperbatterien, doch all diese Dinge sind zukunftsweisend und erhofft und nicht unbedingt erreichbar.Dennoch sind viele Forscher angesichts dieser Möglichkeit auf der Suche nach Materialien und Designs, die dieses Versprechen einlösen können.
Über das Labor hinaus denken
Forscher haben eine Reihe faszinierender Szenarien entwickelt, die im Labor vielversprechend aussehen.Olivetti und Huang glauben jedoch, dass angesichts der Dringlichkeit der Herausforderung des Klimawandels zusätzliche praktische Überlegungen wichtig sein könnten.„Wir Forscher haben immer Messgrößen im Labor, um mögliche Materialien und Prozesse zu bewerten“, sagt Olivetti.Beispiele könnten Energiespeicherkapazität und Lade-/Entladeraten sein.Wenn das Ziel jedoch die Umsetzung ist, schlagen wir vor, Metriken hinzuzufügen, die speziell das Potenzial für eine schnelle Skalierung berücksichtigen.
Materialien und Verfügbarkeit
In der Welt der festen anorganischen Elektrolyte gibt es zwei Haupttypen von Materialien: sauerstoffhaltige Oxide und schwefelhaltige Sulfide.Tantal entsteht als Nebenprodukt beim Abbau von Zinn und Niob.Historische Daten zeigen, dass die Produktion von Tantal beim Abbau von Zinn und Niob näher am potenziellen Maximum liegt als die von Germanium.Die Verfügbarkeit von Tantal ist daher ein größeres Problem für die mögliche Ausweitung von LLZO-basierten Zellen.
Die Kenntnis der Verfügbarkeit eines Elements im Boden löst jedoch nicht die Schritte aus, die erforderlich sind, um es in die Hände der Hersteller zu bringen.Die Forscher untersuchten daher eine Folgefrage zur Lieferkette von Schlüsselelementen – Abbau, Verarbeitung, Raffinierung, Transport usw. Unter der Annahme, dass ein reichliches Angebot vorhanden ist, kann die Lieferkette zur Lieferung dieser Materialien schnell genug erweitert werden, um dem wachsenden Bedarf gerecht zu werden? Nachfrage nach Batterien?
In einer Beispielanalyse untersuchten sie, wie stark die Lieferkette für Germanium und Tantal Jahr für Jahr wachsen müsste, um Batterien für die geplante Flotte von Elektrofahrzeugen im Jahr 2030 bereitzustellen.Beispielsweise müsste eine Flotte von Elektrofahrzeugen, die häufig als Ziel für 2030 genannt wird, genügend Batterien produzieren, um insgesamt 100 Gigawattstunden Energie bereitzustellen.Um dieses Ziel zu erreichen und nur LGPS-Batterien zu verwenden, müsste die Germanium-Lieferkette Jahr für Jahr um 50 % wachsen – eine Strecke, da die maximale Wachstumsrate in der Vergangenheit bei etwa 7 % lag.Bei ausschließlicher Verwendung von LLZO-Zellen müsste die Lieferkette für Tantal um etwa 30 % wachsen – eine Wachstumsrate, die deutlich über dem historischen Maximum von etwa 10 % liegt.
Diese Beispiele zeigen, wie wichtig es ist, die Materialverfügbarkeit und die Lieferkette bei der Beurteilung des Skalierungspotenzials verschiedener Festelektrolyte zu berücksichtigen, sagt Huang: Auch wenn die Menge eines Materials kein Problem darstellt, wie im Fall von Germanium, ist die Skalierung aller Materialien wichtig Die Schritte in der Lieferkette, die an die Produktion zukünftiger Elektrofahrzeuge angepasst werden sollen, erfordern möglicherweise eine Wachstumsrate, die praktisch beispiellos ist.
Materialien und Verarbeitung
Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor bei der Beurteilung des Skalierbarkeitspotenzials eines Batteriedesigns ist die Schwierigkeit des Herstellungsprozesses und die möglichen Auswirkungen auf die Kosten.Bei der Herstellung einer Festkörperbatterie sind zwangsläufig viele Schritte erforderlich, und das Scheitern eines Schritts erhöht die Kosten für jede erfolgreich hergestellte Zelle.
Als Indikator für Herstellungsschwierigkeiten untersuchten Olivetti, Ceder und Huang in ihrer Datenbank die Auswirkungen der Ausfallrate auf die Gesamtkosten ausgewählter Festkörperbatteriedesigns.In einem Beispiel konzentrierten sie sich auf das Oxid LLZO.LLZO ist sehr spröde und große Folien, die dünn genug sind, um in Hochleistungs-Festkörperbatterien verwendet zu werden, neigen bei den hohen Temperaturen im Herstellungsprozess dazu, zu reißen oder sich zu verziehen.
Um die Kostenauswirkungen solcher Ausfälle zu ermitteln, simulierten sie die vier wichtigsten Verarbeitungsschritte beim Zusammenbau von LLZO-Zellen.Bei jedem Schritt berechneten sie die Kosten auf der Grundlage einer angenommenen Ausbeute, also des Anteils der gesamten Zellen, die erfolgreich ohne Fehler verarbeitet wurden.Bei LLZO war die Ausbeute viel geringer als bei den anderen untersuchten Designs;Darüber hinaus stiegen mit sinkendem Ertrag die Kosten pro Kilowattstunde (kWh) Zellenergie deutlich an.Wenn beispielsweise 5 % mehr Zellen zum letzten Kathodenheizschritt hinzugefügt wurden, stiegen die Kosten um etwa 30 US-Dollar/kWh – eine vernachlässigbare Änderung, wenn man bedenkt, dass die allgemein akzeptierten Zielkosten für solche Zellen 100 US-Dollar/kWh betragen.Es ist klar, dass Herstellungsschwierigkeiten einen tiefgreifenden Einfluss auf die Durchführbarkeit einer groß angelegten Einführung des Designs haben können.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 09.09.2022