Die nächste Generation von Batterien für Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite und verbesserter Sicherheit könnte in Form von Lithium-Metall-Festkörperbatterien auf den Markt kommen Technologie.
Laut Forschern der University of Michigan müssen jedoch wichtige Fragen zu diesem vielversprechenden Netzteil beantwortet werden, bevor es vom Labor zu den Produktionsanlagen gelangen kann. Und mit den Bemühungen, Elektrofahrzeuge einem größeren Teil der Bevölkerung zugänglich zu machen, müssen diese Fragen schnell beantwortet werden.
Jeff Sakamoto und Neil Dasgupta, UM-außerordentliche Professoren für Maschinenbau, waren in den letzten zehn Jahren führende Forscher für Festkörperbatterien aus Lithiummetall. In einem perspektivischen Stück im Tagebuch joule, Sakamoto und Dasgupta legen die Hauptfragen der Technologie fest. Um die Fragen zu entwickeln, arbeiteten sie eng mit führenden Unternehmen der Autoindustrie zusammen.
Große Autohersteller setzen in diesem Jahr All-in auf Elektrofahrzeuge. Viele kündigen Pläne an, Autos mit Verbrennungsmotor in den kommenden Jahren auslaufen zu lassen. Lithium-Ionen-Batterien ermöglichten die frühesten Elektrofahrzeuge und sind nach wie vor die häufigste Stromversorgung für die neuesten Modelle, die vom Band laufen.
Diese Lithium-Ionen-Batterien nähern sich mit einer einzigen Ladung ihrer Spitzenleistung in Bezug auf die EV-Reichweite. Und sie benötigen ein schweres und sperriges Batteriemanagementsystem, ohne das die Gefahr von Bränden an Bord besteht. Durch die Verwendung von Lithiummetall für die Batterieanode zusammen mit einer Keramik für den Elektrolyten haben Forscher das Potenzial für die Verdoppelung der EV-Reichweite bei gleich großen Batteriegrößen bei gleichzeitiger drastischer Reduzierung der Brandgefahr aufgezeigt.
"In den letzten zehn Jahren wurden enorme Fortschritte bei der Weiterentwicklung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien erzielt", sagte Sakamoto. "Auf dem Weg zur Kommerzialisierung der Technologie bleiben jedoch noch einige Herausforderungen, insbesondere für Elektrofahrzeuge."
Zu den Fragen, die beantwortet werden müssen, um dieses Potenzial auszuschöpfen, gehören:
- Wie können wir spröde Keramik in den massiven, hauchdünnen Blechen herstellen, die Lithium-Metall-Batterien benötigen? Kompensieren die Verwendung von Keramik durch Lithiummetallbatterien, die Energie benötigen, um sie während der Herstellung auf über 2,000 Grad Fahrenheit zu erwärmen, ihre Umweltvorteile bei Elektrofahrzeugen?
- Können sowohl die Keramik als auch das Verfahren zu ihrer Herstellung so angepasst werden, dass Defekte wie Risse berücksichtigt werden, sodass Batteriehersteller und Autohersteller nicht gezwungen sind, ihre Betriebsabläufe drastisch zu überarbeiten?
- Eine Lithium-Metall-Festkörperbatterie würde nicht das schwere und sperrige Batteriemanagementsystem erfordern, das Lithium-Ionen-Batterien benötigen, um die Haltbarkeit aufrechtzuerhalten und die Brandgefahr zu verringern. Wie wirkt sich die Verringerung der Masse und des Volumens des Batteriemanagementsystems - oder dessen Entfernung insgesamt - auf die Leistung und Haltbarkeit einer Festkörperbatterie aus?
- Das Lithiummetall muss in ständigem Kontakt mit dem Keramikelektrolyten stehen, was bedeutet, dass zusätzliche Hardware erforderlich ist, um Druck auszuüben, um den Kontakt aufrechtzuerhalten. Was bedeutet die hinzugefügte Hardware für die Leistung des Akkus?
Sakamoto, der sein eigenes Startup-Unternehmen im Fokus hat Lithium Metall-Festkörperbatterien, sagt die Technologie hat gerade einen Moment Zeit. Aber die Begeisterung, die den Moment antreibt, darf sich nicht übertreffen.
Das Papier trägt den Titel „Übergang von Festkörperbatterien vom Labor zum Markt: Verknüpfung der elektrochemischen Mechanik mit praktischen Überlegungen.“