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Festkörperbatterie-Prinzip

1990
Montage von Festkörperbatterien in einem Labor für Werkstofftechnik.

Festkörperbatterien ersetzen das flüssige oder polymere Gel-Elektrolyt herkömmlicher Batterien durch ein festes, ionenleitendes Material wie Keramik oder ein festes Polymer. Dieses Design zielt darauf ab, die Sicherheit durch den Verzicht auf entflammbare flüssige Elektrolyte zu verbessern und die Energiedichte und Lebensdauer die Verwendung von Anoden mit hoher Kapazität, insbesondere von reinen Anoden, ermöglicht Lithium Metall.

Der Kern Innovation einer Festkörperbatterie ist der feste Elektrolyt. Diese Komponente muss die schwierige Doppelrolle erfüllen, ein hervorragender Leiter für Ionen und gleichzeitig ein perfekter elektrischer Isolator zu sein, um interne Kurzschlüsse zu verhindern. Die Forscher erforschen mehrere Materialklassen, darunter anorganische kristalline Keramiken (z. B. LLZO vom Granattyp - Li₇La₃Zr₂O₁₂), amorphe glasartige Keramiken und feste Polymere.

Der Hauptgrund ist die Sicherheit. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden brennbare organische Flüssigelektrolyte, die bei Beschädigung oder Fehlfunktion auslaufen und Feuer fangen können (ein Phänomen, das als thermisches Durchgehen bezeichnet wird). Ein fester, nicht brennbarer Elektrolyt mindert dieses Risiko von Natur aus. Über die Sicherheit hinaus ist der feste Elektrolyt ein Schlüsselelement für Anodenmaterialien der nächsten Generation. Die ultimative Anode besteht aus reinem Lithiummetall, das die höchste theoretische Energiedichte bietet. In Flüssigelektrolyten neigt Lithiummetall jedoch dazu, beim Laden nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten, zu bilden. Diese Dendriten können über den Separator wachsen, die Zelle kurzschließen und einen Brand verursachen.

Ein mechanisch robuster Festelektrolyt kann als physikalische Barriere wirken, das Dendritenwachstum unterdrücken und die sichere Verwendung einer Lithium-Metall-Anode ermöglichen. Dies könnte zu Batterien mit deutlich höherer Energiedichte (mehr Reichweite für ein Elektrofahrzeug) und längerer Lebensdauer führen. Die größten Herausforderungen sind nach wie vor das Erreichen einer hohen Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur, die Aufrechterhaltung stabiler Grenzflächen zwischen dem Festelektrolyten und den Elektroden bei Volumenänderungen und die Entwicklung kostengünstiger Herstellung Prozesse.

UNESCO Nomenclature: 3319
- Werkstofftechnik

Typ

Physikalisches Gerät

Unterbrechung

Revolutionär

Verwendung

Aufstrebende Technologie

Vorläufersubstanzen

  • Entdeckung der Ionenleitfähigkeit in festen Materialien durch Michael Faraday
  • Entwicklung der Chemie und Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien
  • Fortschritte in der Keramikwissenschaft und Dünnschichtabscheidungstechniken
  • Theoretisches Verständnis des Ionentransports in Festkörpern

Anwendungen

  • Herzschrittmacher und andere implantierbare medizinische Geräte
  • RFID-Tags und Chipkarten
  • tragbar Sensoren
  • Elektrofahrzeuge der nächsten Generation (in Entwicklung)
  • Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungssysteme

Patente:

NA

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