Festkörperbatterien könnten Lithiumbatterien ersetzen und sich durchsetzen. Diese Technologie hat viele Fortschritte gemacht, wurde jedoch noch nicht industriell eingesetzt.

Als „Herzstück“ von Elektrofahrzeugen haben die Antriebsbatterien viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Lithium-Ionen-Batterien wurden von der Branche der Fahrzeuge mit alternativer Antriebsenergie begrüßt und haben sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte, geringen Selbstentladungsrate, hohen Zykleneffizienz und langen Lebensdauer enorm weiterentwickelt.

Allerdings ist die aktuelle Lithium-Ionen-Batterietechnologie noch nicht ausgereift und das Problem der instabilen Sicherheit besteht weiterhin. Die jüngsten gehäuften Brandvorfälle haben Zweifel an der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien aufkommen lassen. Man geht davon aus, dass die Festkörperbatterietechnologie eine neue Option zur Lösung von Sicherheitsproblemen bei Elektrofahrzeugen darstellt.

In den letzten Jahren kam es häufig zu schweren Unfällen mit Akkumulatoren, die größtenteils auf die Verwendung flüssiger Elektrolyte in den Akkumulatoren zurückzuführen sind. Kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien verwenden im Allgemeinen organische flüssige Elektrolyte, die entflammbar sind und austreten können, was zu Umweltverschmutzung führt. Festelektrolyte sind nicht entflammbar und erzeugen keine flüssigen Elektrolyte, sie sind also nicht korrosiv. Der Ersatz von flüssigem Elektrolyt durch festen Elektrolyt gilt als eine der wirksamsten Möglichkeiten zur Verbesserung der Sicherheitsleistung von Lithiumbatterien.

Festkörper-Lithiumbatterien befinden sich in einer Phase beschleunigter globaler Entwicklung und Forschung und Entwicklung, und viele namhafte Institutionen entwickeln Festkörper-Lithiumbatterien. Viele Batterie- und Automobilhersteller, darunter Samsung aus Südkorea, Toyota aus Japan und CATL aus meinem Land, haben ihre Investitionen in die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien erhöht, und einige Batterien haben die Phase der Fahrzeuginstallation und -prüfung erreicht. Auch wenn die Aussichten vielversprechend sind, ist der Weg zur Entwicklung von Festkörperbatterien aufgrund verschiedener technischer und prozessbezogener Probleme keineswegs einfach.

Die in heutigen Feststoffbatterien verwendeten Festelektrolyte weisen im Allgemeinen Leistungsdefizite auf und genügen den Anforderungen an leistungsstarke Lithium-Ionen-Batteriesysteme noch lange nicht. Auch die Grenzflächenbehandlung zwischen Festelektrolyten und Elektroden stellt derzeit eine große Herausforderung bei Festkörperbatterien dar. In festen Elektrolyten ist die Lithiumionen-Transferimpedanz sehr groß, die Kontaktfläche der starren Schnittstelle mit der Elektrode ist klein und die Änderung des Elektrolytvolumens während des Ladens und Entladens kann die Stabilität der Schnittstelle leicht zerstören.

Darüber hinaus gibt es bei Festkörper-Lithiumbatterien neben der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode auch komplexe mehrstufige Grenzflächen innerhalb der Elektrode. Faktoren wie Elektrochemie und Verformung können zu Kontaktfehlern führen und die Batterieleistung beeinträchtigen.

Auch die mangelnde Stabilität bei langfristiger Nutzung stellt einen Engpass bei der Entwicklung langlebiger Festkörperbatterien zur Energiespeicherung dar. Die Struktur und Schnittstelle von Festkörperbatterien verschlechtert sich im Laufe der Zeit während des Betriebs. Der Mechanismus, durch den sich die Verschlechterung auf die Gesamtleistung der Batterie auswirkt, ist jedoch noch unklar, was eine langfristige Anwendung erschwert.

Nur durch die grundlegende Lösung der wesentlichen Material- und Schnittstellenprobleme können wir eine systematische Prozessforschung durchführen, um die Leistungsanforderungen einzelner Zellen zu erfüllen. Derzeit entstehen verschiedene neue Technologien und bei einigen Festkörperbatterietechnologien wurden Durchbrüche erzielt.

Im Hinblick auf Festelektrolytmaterialien hat die Industrie festgestellt, dass Festkörperbatterien auf Basis des Granat-strukturierten Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid-Festelektrolytsystems (LLZO) eine hervorragende Zyklen- und Ratenleistung aufweisen und sich daher zu einem wichtigen technischen Hotspot entwickelt haben. LLZO ist ein Füllstoff mit hervorragender Leistung, der die Leistung von polymerbasierten Verbundfestelektrolyten verbessern kann. Die auf LLZO basierende Festkörperbatterie kann nach 1.000 Zyklen immer noch 81 % ihrer Kapazität behalten.

Eine weitere Idee für Elektrolytmaterialien besteht in der Verwendung eines starren Polymerskeletts und anorganischer Partikel in Kombination mit flexiblen Polymer-Ionentransportmaterialien. Durch Lewis-Säure-Base-Wechselwirkungen zwischen Polymeren und zwischen Polymeren und anorganischen Partikeln können neue Kanäle für den Lithiumionentransport geschaffen werden, wodurch die Gesamtleistung des Elektrolyten erheblich verbessert wird.

Die Forschungsschwerpunkte der Schnittstellenbehandlung konzentrieren sich hauptsächlich auf die Schnittstellengestaltung und die Modifikationsebene. Derzeit wurden beim Interface-Design der Gelierung gute Ergebnisse erzielt. Durch die Modifizierung der Schnittstelle mit einem Gelpolymer kann die Kontaktfläche vergrößert und gleichzeitig der Volumeneffekt während des Zyklus abgepuffert werden. Nach 300 Zyklen bei Raumtemperatur ist im Wesentlichen keine Verschlechterung festzustellen. Durch diese konstruktive Ausgestaltung wird die Leistung der Batterie erheblich verbessert.

Generell ist die Forschung zu Festkörperbatterien noch eher akademischer Natur. Im Hinblick auf die Industrialisierung betreffen einige Schlüsseltechnologien die Kerntechnologien verschiedener Unternehmen und können nicht erworben werden, sodass eine weitere Erforschung von Technologien auf der Grundlage technischer Anwendungen erforderlich ist.

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