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Vom 19. Jahrhundert bis zum 21. Jahrhundert: Was sind die erstaunlichen Wendungen in der Geschichte der Festkörperbatterien?
Festkörperbatterien (SSBs) sind Batterien, die feste Elektrolyte verwenden, um Ionen zwischen Elektroden zu leiten. Sie haben das Potenzial, eine höhere Energiedichte als herkömmliche Batterien zu bieten, die flüssige oder gelartige Polymerelektrolyte verwenden. Seit der Entdeckung fester Elektrolyte im 19. Jahrhundert haben Feststoffbatterien jahrhundertelange Entwicklungen und Herausforderungen durchlaufen und erlangten schließlich im frühen 21. Jahrhundert breite Aufmerksamkeit, insbesondere bei der Anwendung in Elektrofahrzeugen (EVs).
Historische Ursprünge
Die Ursprünge der Festkörperbatterien gehen auf das Jahr 1831 zurück, als Michael Faraday Silbersulfid und Bleifluorid entdeckte und damit den Grundstein für die Ionenleitung in Festkörpern legte. Im Laufe der Zeit, insbesondere in den 1960er Jahren, leitete die Entdeckung des schnell ionenleitenden β-Bauxits eine neue Welle der Feststoffbatterietechnologie ein. Zu dieser Zeit begannen Ford Motor und das japanische Unternehmen NGK mit der Entwicklung von flüssigen Natrium-/β-Bauxit-/Schwefel-Batteriesystemen mit höherer Energiedichte.
Vom 20. Jahrhundert zum 21. Jahrhundert: der Aufstieg nachgelagerter Anwendungen
Mit dem Fortschritt der Technologie wurde 2011 weltweit erstmals ein Festelektrolyt, Li10GeP2S12 (LGPS), vorgestellt, der bei Raumtemperatur flüssige Elektrolyte übertrifft und in der Automobilindustrie erneut auf die Festkörperbatterietechnologie aufmerksam machte. . Automobilhersteller wie Toyota und Ford haben ihre Investitionen erhöht, um diesen aufstrebenden Markt zu erschließen. Im Jahr 2017 stellte John Goodyear, Mitbegründer der Lithiumbatterien, eine Feststoff-Glasbatterie auf Basis von Glaselektrolyt vor und ebnete damit den Weg für die Zukunft dieser Technologie.
„Das Potenzial von Feststoffbatterien liegt nicht nur in einer höheren Energiedichte, sondern auch in der Sicherheit und hohen Leistungsfähigkeit.“
Nach dem Jahr 2020 hat sich die Entwicklung von Festkörperbatterien mit dem Aufkommen von QuantumScape und anderen Start-ups allmählich beschleunigt. Im Jahr 2021 kündigte Toyota Pläne an, im Jahr 2025 ein Hybridfahrzeug mit Festkörperbatterien auf den Markt zu bringen, was ein enormes Marktpotenzial erkennen lässt.
Materialien und Technologien für Festkörperbatterien
Bei der Materialauswahl für Festkörperbatterien haben sich Keramiken wie Lithiumorthosilikat, Glas und Sulfid als Hauptkandidaten herauskristallisiert. Die Vorteile dieser Materialien liegen in ihrer höheren thermischen Stabilität und Ionenleitfähigkeit. Im Jahr 2023 brachte Panasonic eine speziell für Drohnen entwickelte Festkörperbatterie auf den Markt, die in nur 3 Minuten von 10 % auf 80 % aufgeladen werden kann. Diese Errungenschaft wird zweifellos Innovationen bei einer Vielzahl mobiler Geräte vorantreiben.
Herausforderungen und Perspektiven
Obwohl Festkörperbatterien erhebliche Leistungsvorteile bieten, ist ihre breite Anwendung mit Herausforderungen hinsichtlich Kosten, Haltbarkeit und Materialstabilität verbunden. Die Herstellungskosten von Dünnschicht-Festkörperbatterien müssen weiter gesenkt werden. Zu diesem Zweck suchen verschiedene Unternehmen aktiv nach effizienten und kostengünstigen Produktionsmethoden. In den nächsten Jahren werden die großen Automobilhersteller damit beginnen, parallel Forschung und Entwicklung zu betreiben und gemeinsam daran zu arbeiten, die verschiedenen technischen Engpässe bei Festkörperbatterien zu überwinden.
„Die Zukunft der Festkörperbatterien hängt von technologischen Innovationen, menschlicher Zusammenarbeit und der Beharrlichkeit bei der Annahme von Herausforderungen ab.“
Mit der steigenden Marktnachfrage und der Reife der Technologie erweitert sich der Anwendungsbereich von Festkörperbatterien von Elektrofahrzeugen bis hin zu tragbarer Technologie, Drohnen und anderen Bereichen. Ob wir die Spitze der Batterietechnologie erreichen können, hängt davon ab, wie wir die vielen aktuellen Herausforderungen lösen und letztendlich eine kommerzielle Anwendung erreichen. Daher stellt sich die Frage, wie Festkörperbatterien unseren Alltag und unsere technologische Umgebung in den nächsten 20 Jahren neu definieren werden.
