Bereiten Sie sich auf neue Fortschritte in der Batterietechnologie im Jahr 2021 vor

Seit Volta 1800 entdeckte, dass bestimmte Flüssigkeiten als Teil einer chemischen Reaktion einen Fluss elektrischer Energie erzeugen können, wurde das Zeitalter der Batterien geboren. Volta ahnte damals nicht, dass eine Einheit nach ihm benannt werden würde (wahrscheinlich eine der größten Ehren, die ein Wissenschaftler erhalten kann), und seine Entdeckung würde allen heute verwendeten mobilen Technologien zugrunde liegen. Springen wir in die heutige Zeit, entspricht die grundlegende Struktur der Batterien immer noch der, die in der Daniell-Zelle verwendet wurde, die erstmals 1836 eingeführt wurde.

Heute konzentriert sich die Diskussion um Batterien auf ihre Verwendung als Ermöglicher für andere Technologien, wie die Stabilisierung von erneuerbaren Energiequellen und Elektrofahrzeugen. Trotz der historischen und jüngsten Fortschritte in der Batterietechnologie bleiben viele Herausforderungen bestehen, um Batterien umweltfreundlicher, billiger und sicherer bei hoher Entladung zu machen. Dennoch arbeiten viele Unternehmen an der Entwicklung neuer Materialplattformen für Batterien, ohne große Änderungen an der Batteriechemie vorzunehmen.

Die heutigen Herausforderungen bei Batterien

Die Herausforderungen bei heutigen Batterien und Energiespeichersystemen konzentrieren sich auf Sicherheit und Umweltfreundlichkeit. Die derzeit beste Batteriechemie für die Energieübertragung ist Li-Ion, die auch die größten Sicherheitsrisiken birgt, aber dennoch vergleichbar mit der Nickel-Metall-Chemie in Bezug auf die Kapazität ist. Da die Lithiumchemie bereits einige Vorteile in Bezug auf die Energieübertragung bietet, war sie der Schwerpunkt weiterer Entwicklung und Verbesserungen. Trotz ihrer Vorteile haben Li-Ion-Batterien ihre Nachteile:

• Lebensdauer: Hier beziehen wir uns auf die gesamte nützliche Lebensdauer der Batterie, nicht auf die Ladekapazität. Die Lebensdauer von Li-Ion-Batterien wird stark durch die Tiefe der Ladung/Entladung, Ladungs-/Entladungsrate, Anzahl der Ladezyklen, Betriebstemperatur und die Geometrie der Zelle beeinflusst.

• Lade-/Entladesicherheit: Li-Ion-Batterien benötigen eine Leistungsüberwachungs- und Schutzschaltung, um Überhitzung und Überladung zu verhindern. Ebenso begrenzt die Schutzschaltung während eines Entladezyklus die Entladerate, um zu verhindern, dass die Spannung der Zelle zu stark abfällt.

• Formfaktor vs. Kapazität: Obwohl Smartphones flacher geworden sind, ist die Batteriegröße größer geworden, um eine höhere Kapazität zu bieten. Infolgedessen werden mehr Komponenten in SoCs konsolidiert und auf Flex-Platinen montiert, um Platz für größere Batterien zu schaffen. Es ist wünschenswert, die Kapazität zu erhöhen, ohne die physische Größe der Batterie zu vergrößern.

• Recyclingfähigkeit: Der Ansturm neuer Elektrofahrzeuge, die in naher Zukunft auf den Markt kommen sollen, wirft ernsthafte Bedenken hinsichtlich des Lebensendes von Li-Ion-Batterien auf. Neue Materialien und Batteriestrukturen könnten erforderlich sein, um die Energie, die für das Recycling einer Li-Ion-Batterie benötigt wird, zu reduzieren.

Li-Ionen-Polymer-Batteriepacks bieten einen flexiblen Formfaktor mit wettbewerbsfähiger Kapazität und Lade-/Entladeeigenschaften. Neuere Materialien können eine größere Sicherheit mit höherer Leistungsabgabe und Kapazität ermöglichen.

Fortschritte in der Batterietechnologie beginnen bei den Materialien

Die jüngsten Fortschritte in der Batterietechnologie konzentrierten sich darauf, von der alkalischen Chemie und der Nickel-Metall-Chemie zur Lithium-Chemie überzugehen. Die kommenden Fortschritte in der Batterietechnologie konzentrieren sich hauptsächlich auf Materialien, die die oben genannten Herausforderungen angehen, und nicht unbedingt auf externe Methoden und Komponenten des Energiemanagements. Wenn man sich die Batterieindustrie ansieht, gibt es zwei Bereiche, in denen Unternehmen mit neuen Materialien innovativ sind: die Elektroden und Elektrolyte.

Semi-poröse Anoden-/Kathodenmaterialien

Poröse Materialien bieten einige einzigartige Vorteile bei Anoden- und Kathodenmaterialien für Batterien, solange sie einen geringen Widerstand und eine hohe thermische Leitfähigkeit bieten können, was wiederum eine primäre Sicherheitsanforderung bei hochleistungsfähigen/hochkapazitiven Batterien für Elektrofahrzeuge adressiert. Ein Beispiel für ein Anodenmaterial ist mit Kohlenstoffnanobändern beschichtetes Graphit, das leicht in bestehende Anoden für Li-Ionen-Batterien integriert werden kann. Die poröse Natur dieses speziellen Materials bietet eine größere aktive Oberfläche, die einen größeren Ladungsfluss in das/aus dem Anodenterminal und eine größere Li-Ionen-Speicherung als eine feste Graphitelektrode ermöglicht.

Vollständig Festkörperbatterien

Festkörperbatterien sind von Interesse, da sie es ermöglichen, einen entflammbaren flüssigen Elektrolyten durch einen nicht entflammbaren festen Elektrolyten zu ersetzen. Lithium ist auch hier von Interesse, da dies die Chemie dieser Systeme beibehalten würde. Anfang dieses Jahres kündigte Samsung die Entwicklung einer vollständig festen Li-Ionen-Batterieplattform an. Samsungs Batterie verwendete ein Silber-Kohlenstoff-Verbundmaterial als Anode, um das dendritische Wachstum von einer Metallanode zu unterdrücken. Diese Batterien sind noch nicht kommerziell erhältlich, obwohl bekannt ist, dass die Verwendung von festen Elektrolyten im Vergleich zu den in heutigen kommerziellen Batterien verwendeten flüssigen Elektrolyten sicherer ist.

Unternehmen wie Toyota, Nissan und VW-unterstützte Quantumscape entwickeln ihre eigenen Festkörperbatterieplattformen für Elektrofahrzeuge. Einmal kommerzialisiert, könnten diese Plattformen für Elektrofahrzeuge bahnbrechend sein, da sie eine längere Reichweite in einem kleineren Paket ohne längere Ladezeit bieten könnten. Dies lenkt den Fokus wieder auf die Entwickler von Platinen, um die besten Managementsysteme zu bauen, die Fahrzeugbatterieplattformen unterstützen, die sicher sind und die höchstmögliche Effizienz haben.

Trennmaterialien

Dies ist immer noch ein Bereich der wissenschaftlichen Forschung, da Separator-Membranen sehr haltbar und porös sein müssen. Polyolefin wird als Separator in kommerziellen Li-Ionen-Batterien verwendet, und jedes neue Separator-Material müsste einen hohen Ionenaustausch ermöglichen, ohne überschüssige Wärme zu erzeugen. Es muss auch eine hohe mechanische Festigkeit und chemische Stabilität aufweisen. Forscher untersuchen weiterhin neue Separator-Materialien, um diesen Anforderungen zu entsprechen, ohne größere Änderungen an der Batteriechemie oder den elektrischen Eigenschaften vorzunehmen.

Einige Beispiele für Separator-Membranmaterialien. [Quelle]

Warum liegt der Fokus darauf, die gleichen Materialplattformen zu verwenden, die bereits kommerzialisiert wurden? Die derzeit in der Industrie führenden Batterien verwendete Chemie (alkalische oder Lithiumchemie) wurde gründlich auf Sicherheit untersucht und sowohl von staatlichen Regulierungsbehörden als auch von der Batterieindustrie selbst qualifiziert. Wenn Sie die Materialklasse ändern, ändern Sie auch die Chemie, und der umfangreiche Bewertungsprozess beginnt von vorne. Daher zögern viele in der Industrie, von bestehenden Materialplattformen abzuweichen; die Investitionen und Risiken sind einfach zu hoch.

Da weitere Fortschritte in der Batterietechnologie zu neuen Produkten führen, werden wir hier sein, um Sie mit den neuesten Nachrichten und Analysen auf dem Laufenden zu halten. Wenn Sie nach einer neuen langlebigen, hochkapazitiven Batterie und Energiemanagementkomponenten für Ihr nächstes System suchen, nutzen Sie die fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart. Sie haben Zugang zu einer umfangreichen Suchmaschine mit Distributorendaten und Teilespezifikationen, alles zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen für Energiemanagement, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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