10 Batterietechnologien, die sich derzeit in der Entwicklung befinden

Die Batterietechnologie ist heute ein entscheidender Bereich von Elektrofahrzeugen, und die kontinuierliche Weiterentwicklung der Batterien wird die Branche weiterhin verändern

Da die Elektrofahrzeugtechnologie immer weiter voranschreitet, werden Batterien wichtiger denn je. Im letzten Jahrzehnt haben Fortschritte in der Batterietechnologie es Elektrofahrzeugen bereits ermöglicht, weiter zu fahren, schneller zu laden und für Verbraucher erschwinglicher zu werden. Die Batterietechnologie entwickelt sich rasant weiter und neue und aufregende Entwicklungen stehen vor der Tür. Aktuelle Batterietechnologien, die zu Beginn bahnbrechend waren, bieten allmählich eine begrenzte Leistung und erfordern häufiges Aufladen. Heutige Lithium-Ionen-Batterien, der am häufigsten verwendete Typ, können nur einige Hundert Wattstunden pro Kilogramm aufnehmen, was es schwierig macht, Geräte zu entwickeln, die lange genug halten, ohne dass sie aufgeladen werden müssen. Mit diesen weiteren Fortschritten in der Batterietechnologie möchten Wissenschaftler Ergebnisse für effizientere, leichtere und sicherere Batterien erzielen, die mehr Ladung speichern und länger halten können. Mit neueren Batteriealternativen versuchen Automobilhersteller, Batteriepakete leichter zu machen, eine höhere Energiedichte zu haben, um mehr Ladungen zu speichern und größere Reichweiten zu bieten, schneller zu laden, ohne dass es zu einer Verschlechterung der Batterie kommt, und recycelbar zu machen, um die Nachhaltigkeit zu verbessern. Die Batterietechnologie ist heute der kritischste Bereich von Elektrofahrzeugen, und die kontinuierliche Weiterentwicklung der Batterien wird die Branche weiterhin verändern.

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Hierbei handelt es sich um eine Lithium-Silizium-Batterie, bei der die Ladungsträger ein Lithium-Ionen-Akku und eine siliziumbasierte Anode sind. Aufgrund der Siliziummaterialien ist die spezifische Kapazität viel größer. Silizium weist eine Volumenänderung von 400 Prozent auf und ist im geladenen Zustand hochreaktiv, sodass es in kommerziellen Batterien stattdessen etwa 10 Prozent der Anode ausmacht. Sila Nanotechnologies ist ein Startup-Unternehmen, das das Ziel verfolgt, Graphit in Lithium-Ionen-Anoden durch leistungsstarke Siliziumanoden zu ersetzen. Die Daimler AG ist stark investiert und arbeitet mit ihnen zusammen, um dies mit einer Unternehmens- und Risikofinanzierung in Höhe von 170 Millionen US-Dollar im Jahr 2019 Wirklichkeit werden zu lassen. Außerdem behauptete Elon Musk im Jahr 2015, dass das Silizium in den Batterien des Model S dazu beigetragen habe, seine Reichweite um sechs zu verbessern Prozent.

Festkörperbatterien ersetzen die in Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien enthaltenen flüssigen oder Polymer-Gel-Elektrolyte durch feste Elektroden und einen festen Elektrolyten. Sie bieten Lösungen für Probleme von Lithium-Ionen-Batterien wie Entflammbarkeit, geringe Festigkeit, begrenzte Spannung, schlechte Zyklenleistung und instabile Grenzflächenbildung fester Elektrolyte und sorgen für schnelleres Laden, höhere Spannung und längere Zyklenlebensdauer. Toyota will die Festkörperbatterietechnologie zunächst in seinen Hybrid-Elektrofahrzeugen einführen, während Honda daran arbeitet, seine Produktionskapazität im Frühjahr 2024 rentabel zu machen. Einige Herausforderungen haben die Technologie im Laufe der Jahre behindert, wie etwa die sehr hohen Produktionskosten Empfindlichkeit gegenüber Temperaturen und Drücken sowie das Vorhandensein von Dendriten (Metallkristalle auf der Oberfläche des Lithiums, die schließlich in den Festelektrolyten eindringen, die Elektroden kreuzen und die Batteriezelle kurzschließen).

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NanoBolt Lithium-Wolfram-Batterien verbessern die bestehende Lithium-Batterie-Technologie. Die Gesamtenergiespeicherung dieser Batterien sowie ihre Wiederaufladegeschwindigkeit werden durch die Zugabe von mehrschichtigen Kohlenstoff-Nanoröhren sowie Wolfram verbessert. Diese Schichten der Nanoröhren vergrößern die Speicherfläche für die Ionen und bewirken durch die von ihnen erzeugte Netzstruktur eine hohe Effizienz. Diese Batterien können mehr Strom speichern als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Dies ist wichtig, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu verbessern. Eine große NanoBolt Lithium-Wolfram-Batterie kann mit Solarenergie schnell aufgeladen werden. LG Energy Solution, Hersteller der Batterien für Chevy Volt, Bolt EV und Chrysler Pacifica, ist einer der führenden Wettbewerber, der an dieser Batterietechnologie arbeitet. Auch die BAK Group, Nyobolt und CALT arbeiten an der Technologie.

Lithium-Schwefel-Batterien haben eine hohe spezifische Energie. Diese Batterien haben eine geringe Dichte wie Wasser, hauptsächlich aufgrund der Kombination aus dem moderaten Atomgewicht von Schwefel und dem niedrigen Atomgewicht von Lithium. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien ersetzen Lithium-Schwefel-Batterien Kobalt durch Schwefel, der eine höhere Energiedichte aufweist. Dadurch ist es in der Lage, mehr Energie zu speichern. Im Vergleich zu Kobalt kommt Schwefel häufiger vor und ist kostengünstiger. Die Entwicklung von Dendriten war ein großer Nachteil der Lithium-Schwefel-Batterietechnologie. Trotz der zunehmenden Beliebtheit der Technologie wird davon ausgegangen, dass sie noch weit von ihrer Verwirklichung entfernt ist. Lithium-Schwefel-Batterien haben das Potenzial, die derzeitige durchschnittliche Batteriereichweite von etwa 250 bis 300 Meilen zu verdoppeln. LG Energy Solutions, das Batterien für Tesla herstellt, arbeitet an einer Lithium-Schwefel-Batterie.

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Bei der „Lithium-Ionen-Batterie der nächsten Generation“ (NGLB) handelt es sich um eine neue Batterietechnologie, die eine deutlich verbesserte Leistung hinsichtlich Ladezeit und Gesamtlebensdauer bieten wird. Man geht davon aus, dass NGLB-Zellen im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien die doppelte oder sogar dreifache Ladungsmenge halten können. Dies bedeutet, dass Maschinenbatterien bis zu dreimal länger halten könnten als zuvor, ohne dass eine wesentliche Vergrößerung oder Gewichtszunahme erforderlich wäre. Die NGLB-Technologie wird von mehreren großen Unternehmen entwickelt, darunter Samsung, LG Energy Solutions und Panasonic. Die einzigartigen Batterien sind hauptsächlich für Elektrofahrzeuge und andere große Anwendungen konzipiert, können aber in allem verwendet werden, von Smartphones und Laptops bis hin zu tragbaren Geräten. Das Engagement für mehr Energie und Langlebigkeit macht NGLBs zu einer verlockenden Option für eine Vielzahl zukünftiger Anwendungen.

Die Metall-Wasserstoff-Batterie ist eine wiederaufladbare elektrochemische Energiequelle auf Basis von Nickel und Wasserstoff, die aufgrund ihrer Kapazität und Effizienz eine überragende Leistung bietet. Sie bieten ein Vielfaches an Energie als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien und können einen Wirkungsgrad von 85 Prozent sowie eine lange Lebensdauer von etwa 20.000 Ladezyklen erreichen. Diese innovative Batterietechnologie kann außerdem schneller als bisher aufgeladen werden und die Zellen halten einer Überladung stand, wenn die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Der größte Vorteil dieser bahnbrechenden Batterietechnologie ist jedoch ihre Umweltfreundlichkeit. Diese Batterien enthalten keine giftigen Lösungsmittel, was bedeutet, dass Sie sich weniger Sorgen darüber machen müssen, was passiert, wenn sie beschädigt werden oder hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Sie sind vollständig recycelbar und können sogar nach Ablauf ihrer Lebensdauer zur Stromerzeugung genutzt werden.

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Zink-Manganoxid-Batterien (ZMO), eine vielversprechende Lösung für die Entwicklung nachhaltiger Energiespeichersysteme, bestehen aus zwei Elektroden: einer Anode aus Zink und einer Kathode aus Manganoxid. Diese Hybridmischung verleiht ZMO-Batterien eine hervorragende Stabilität, ihre geringere Energiedichte ist jedoch ein großer Nachteil, da sie nicht in der Lage ist, genügend Ladung in ihren Zellen zu speichern, um sie zu einem würdigen Konkurrenten für Lithium-Ionen-Batterien zu machen. Sie sind in der Regel auch günstiger als Batterien auf Lithiumbasis, da die Zinkkomponente viel einfacher zu erhalten und kostengünstiger ist als Lithiumkomponenten. Allerdings bedeutet dies, dass aufgrund der geringen Energiedichte von Zink eine Zelle mit höherer Kapazität hergestellt werden müsste, um mit den Lithium-Ionen-Batterien mithalten zu können. Sie sind sicher und nicht brennbar und für den Einsatz in praktisch jedem Gerät und jeder Anwendung geeignet.

CATL, der chinesische Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien, beabsichtigt, der erste Hersteller von kobaltfreien Lithium-Ionen-Batterien zu werden. Sie begannen 2021 mit dem Verkauf. Tesla rüstete außerdem fast die Hälfte der im ersten Quartal 2022 verkauften Fahrzeuge mit kobaltfreien Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) aus. Diese kobaltfreien Lithium-Ionen-Batterien nutzen Nanopartikel wie Silizium oder Kohlenstoff als Anodenmaterial. Sie verfügen über eine erhöhte Energiedichte, Lade- und Entladeraten und Sicherheit. Ihr geringerer Ressourcenverbrauch und die geringere Toxizität sind ein großer Vorteil für die Umwelt. Sie verfügen über höhere Energiedichten, längere Zyklenlebensdauer und schnellere Ladezeiten von bis zu fünfmal so viel Kapazität, 1.500 Ladezyklen bzw. dreimal so schnell wie einige herkömmliche Li-Ionen-Batterien sowie niedrigere Produktionskosten aufgrund eines geringeren Ressourcenverbrauchs und verbesserte Sicherheit durch geringere Wärmeabgabe bei Lade-/Entladevorgängen.

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Organosilicium-Batterien sind viel feuerbeständiger als Lithium-Ionen-Batterien und weisen eine verbesserte elektrochemische Leistung auf. Sie verfügen außerdem über hervorragende Sicherheits- und Stabilitätseigenschaften. Wenn der Organosilicium-Elektrolyt als Co-Lösungsmittel verwendet wird, kann er die Lebensdauer der Zelle, die Kapazität und damit auch die Batteriereichweite steigern. Um diese Technologie zu ermöglichen, arbeiten Forscher an einigen Arten von Organosilicium wie Silan, Polysiloxan, Siloxan sowie polyedrischen oligomeren Silsesquioxanen, um deren molekulares Design, chemische, thermische und elektrochemische Stabilität, Ionenleitfähigkeit und Sicherheit zu überprüfen. Diese Batterien sind sicherer als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, da sie keine brennbaren flüssigen Elektrolyte enthalten. Sie enthalten auch weniger gefährliche Stoffe in ihrer Zusammensetzung. Dadurch wird sichergestellt, dass Organosilicium-Elektrolytbatterien eine gute Wahl für Anwendungen sind, bei denen Sicherheit an erster Stelle steht, wie in Elektrofahrzeugen, medizinischen Geräten, Drohnen und mehr!

Eine Salzwasserbatterie besteht im Wesentlichen aus einem Behälter mit Salzwasser und zwei Elektroden, die Strom erzeugen, wenn sie an eine externe Stromquelle angeschlossen werden. Die beiden Elektroden, typischerweise aus Kohlenstoff, reagieren mit dem im Salzwasser enthaltenen Natriumsulfat-Elektrolyten und speichern Energie in Form von Ionen. Sie haben eine lange Lebensdauer. Sie benötigen nicht so viel Wartung wie ihre Lithium-Ionen-Pendants. Deshalb kann es Energie über lange Zeiträume speichern, ohne dass sie verloren geht. Der größte Vorteil von Salzwasserbatterien besteht darin, dass sie zu einem Bruchteil der Kosten von Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden können. Außerdem sind sie ungiftig. Der Nachteil besteht darin, dass sie aufgrund ihrer geringen Energiedichte nicht so viel Ladung speichern können wie Lithium-Ionen-Batterien und nicht so oft aufgeladen werden können wie Lithium-Ionen-Batterien.

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