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Die Entdeckung der Elektrizität veränderte die Welt und brachte eine Reihe von Erfindungen hervor, die das Leben der Menschen sicherer, gesünder, effizienter und komfortabler machten. Batterien bringen diese Entdeckung auf die nächste Ebene und bieten eine Möglichkeit, Strom zu speichern und ihn zum Betreiben mobiler Geräte zu nutzen.

Derzeit dominieren Lithium-Ionen-Batterien den Markt, aber sicherere Festkörperbatterien mit höherer Kapazität könnten in Zukunft zur Energiequelle der Welt werden und der Menschheit möglicherweise sogar dabei helfen, den Auswirkungen des Klimawandels zu entkommen.

Festkörperbatteriezellen als CeraCharge-Materialien der nächsten Generation entwickelt. Bildquelle: Offizielle TDK-Website

Beginnen Sie mit einer kleinen Batterie

Derzeit werden in einigen Uhren und medizinischen Implantaten eine Handvoll kleiner Festkörperbatterien verwendet.

Der japanische Elektronikhersteller TDK gab bekannt, dass er erfolgreich eine neue Version der CeraCharge-Festkörperbatterie entwickelt hat. Die Energiedichte pro Volumeneinheit beträgt bis zu 1.000 Wattstunden pro Liter, was etwa dem Hundertfachen der Energiedichte der herkömmlichen Festkörperbatterien von TDK entspricht. TDK hat nicht viele Details über die proprietäre Technologie der Batterie preisgegeben, hat jedoch erklärt, dass sie eine Anode aus einer Lithiumlegierung und einen Festelektrolyten auf Oxidbasis verwendet, was sie „extrem sicher“ macht.

Die Energiespeicherfähigkeiten der neuen Version der CeraCharge-Akkus deuten darauf hin, dass längere Akkulaufzeiten oder kompaktere Designs bald Realität werden. Darüber hinaus soll die Batterie eine wiederaufladbare Alternative zu Einweg-Knopfbatterien mit hoher Energiedichte sein.

TDK plant zunächst, die Batterie in kleinen elektronischen Produkten wie drahtlosen Kopfhörern, Hörgeräten und Smartwatches einzusetzen und äußerte auch den Wunsch, in breitere Märkte wie Smartphones einzusteigen.

„Mit zunehmender Batteriefläche wird es immer schwieriger, eine gleichmäßige und hochdichte Struktur herzustellen, was zu strukturellen Mängeln wie Rissen und Verformungen führen kann“, sagte Hiroshi Sato, Abteilungsleiter der Energieentwicklungsabteilung von TDK Beginnen Sie mit kleinen Batterien, sammeln Sie Produktions- und Praxiserfahrung und erkunden Sie dann schrittweise das Kommerzialisierungspotenzial großer Batterien.“

Schrittweise Bewegung in Richtung Industrialisierung

Trotz erheblicher Fortschritte bei der Kosteneffizienz und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bleiben Ladezeitbeschränkungen, Reichweitenangst und Sicherheitsbedenken weiterhin die Haupthindernisse, die Elektrofahrzeuge daran hindern, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor vollständig zu ersetzen. In diesem Zusammenhang bewegen sich Festkörperbatterien als leistungsstarkes Werkzeug für die technologische Innovation von Elektrofahrzeugen allmählich vom Forschungs- und Entwicklungsstadium in die Industrialisierung.

Im Jahr 2023 schloss sich Toyota mit dem japanischen Energieunternehmen Idemitsu Kosan zusammen und kündigte an, von 2027 bis 2028 mit der Produktion von Festkörperbatterien zu beginnen.

Auch Mercedes-Benz ist optimistisch in Bezug auf Festkörperbatterien. Das Unternehmen geht davon aus, dass Festkörperbatterien für Autos fast die doppelte Reichweite von Lithium-Ionen-Batterien bieten können, und plant, solche Batterien bis 2030 in Massenproduktion zu bringen.

Vor kurzem hat PowerCo, ein Batterieunternehmen im Besitz von Volkswagen, eine strategische Zusammenarbeit mit QuantumScape, einem amerikanischen Entwickler von Festkörperbatterien, zur Einführung der Festkörper-Lithium-Metall-Batterietechnologie geschlossen 1 Million Elektrofahrzeuge pro Jahr.

Die einzigartige Technologie von QuantumScape kombiniert feste und flüssige Elektrolyte, um Dendritenprobleme wirksam zu vermeiden, und soll die Reichweite von Elektrofahrzeugen von derzeit mehr als 500 Kilometern auf 800 Kilometer erhöhen, was die Kommerzialisierung der Festkörperbatterietechnologie weiter vorantreiben wird.

Energiespeicher im Stromnetz

Derzeit sind Lithium-Ionen-Batterien das Herzstück von Batterie-Energiespeichersystemen, Festkörperbatterien gelten jedoch aufgrund ihrer hervorragenden Sicherheit, längeren Zyklenlebensdauer und höheren Energiedichte als potenziell bessere Lösung. Für die großtechnische Anwendung von Festkörperbatterien müssen jedoch noch die hohen Herstellungskosten und komplexen Prozesse großer Batterien überwunden werden.

Dragonfly Energy ist eines der Unternehmen, die versuchen, dieses Problem zu lösen. Im Jahr 2023 erhielt das Unternehmen ein Fertigungstechnologiepatent, das technische Hindernisse bei der Herstellung von Festkörperbatterien im Bereich der Netzenergiespeicherung beseitigen soll. Gleichzeitig eröffnete der US-amerikanische Batteriehersteller ION Storage Systems im April dieses Jahres eine neue Fabrik, die sich auf die Produktion von Festkörperbatterien mit keramischen Elektrolyten und Lithium-Metallanoden konzentriert, um den Bedarf von Netzspeicherung, Elektrofahrzeugen und anderen Bereichen zu decken. Ziel ist es, die Produktionskapazität bis 2028 auf 0,5 GWh zu erweitern.

Abwechslungsreiche Materialformen

Während es noch einige Jahre dauern kann, bis Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterien in großem Maßstab kommerziell verfügbar sind, und es sogar noch länger dauern kann, bis zum Aufbau sauberer Stromnetze beigetragen wird, ist der stetige Fortschritt dieser Technologie vom Forschungs-Elfenbeinturm bis zur Industrialisierung noch nicht abgeschlossen ermutigend.

Im Januar dieses Jahres brachten Forscher der Harvard University in den USA eine Festkörperbatterie mit Silizium in der Anode auf den Markt, die in 10 Minuten aufgeladen werden kann. Ende Juli berichteten dänische Forscher, dass sie eine Lithium-freie Festkörperbatterie entwickelt hatten, die aus in Gesteinen vorkommenden Mineralien hergestellt wurde. Das Festkörperelektrolytmaterial ist günstig, effizient, umweltfreundlich und leistungsstärker als Festkörperbatterien auf Lithiumbasis Elektrolyte.

Solange die Innovationswelle weiter ansteigt, wird die Welt der Zukunft Festkörperbatterietechnologie in vielfältigen Materialformen erleben, die Elektrofahrzeugen eine länger anhaltende „Vitalität“ und eine längere Fahrt verleiht. Außerdem wird sie dazu beitragen, dass das Stromnetz eine beispiellose Sauberkeit erreicht und Stabilität, die den Weg weisen. Die Menschheit bewegt sich in eine neue Ära umweltfreundlicherer und effizienterer Energie. (Reporter Zhang Jiaxin)