Lithium-Luft-Batterien für Elektrofahrzeuge für Netto-Null-Wirtschaft erschlossen

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Die Suche nach neuen leistungsstarken, extrem energiedichten EV-Batterien hat einige interessante Entwicklungen durchlaufen. Die neuesten Nachrichten betreffen Lithium-Luft-Batterien, ein Bereich, der noch vor wenigen Jahren für den Mülleimer der Automobilgeschichte bestimmt schien. Dennoch hat das US-Energieministerium in einer neuen Finanzierungsrunde vier verschiedene Li-Air-Projekte in Angriff genommen, die darauf abzielen, neue Batterien zu entwickeln, die stark genug sind, um auch große Flugzeuge, Lokomotiven und Seeschiffe zu bewegen.

Der lange Weg zu Lithium-Luft-Batterien für Elektrofahrzeuge

Die Idee einer Lithium-Luft-Formel für Elektrofahrzeugbatterien gehörte zu den ersten Projekten mit hohem Risiko und hohem Ertrag, die vom ARPA-E-Förderbüro des Energieministeriums angenommen wurden, das 2009 mit einer Unterstützung der American Recovery in Höhe von 400 Millionen US-Dollar seine Arbeit aufnahm und Reinvestitionsgesetz.

Im Jahr 2010 beauftragte ARPA-E den Lithium-Energiespeicher-Innovator PolyPlus Battery Company, um einen Weg für die Entwicklung einer kommerziellen Lithium-Luft-Batterie für Elektrofahrzeuge zu eröffnen. „Li-Air-Batterien sind besser als die Li-Ion-Batterien, die heute in den meisten Elektrofahrzeugen verwendet werden, weil sie Luft aus der Atmosphäre einatmen und als aktives Material in der Batterie verwendet werden, was ihr Gewicht erheblich verringert“, bemerkte ARPA-E.

„Li-Air-Akkus speichern außerdem fast 700 % so viel Energie wie herkömmliche Li-Ion-Akkus“, fügten sie hinzu.

Eine weitere geplante Lithium-Luft-Batterie für Elektrofahrzeuge überquerte die CleanTechnica Radar im Jahr 2011, als wir feststellten, dass „Lithium-Luft-Batterien viel leichter sind als ihre Lithium-Ionen-Gegenstücke, was ihnen ein enormes Potenzial für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und tragbaren Geräten bietet.“

Wenn man mal nachrechnet, das ist 13 Jahre her. Wenn Sie sich fragen, warum es so lange dauert, ist das eine gute Frage.

Eine Antwort ist, dass einige der früheren Innovatoren zu anderen Projekten übergegangen sind. PolyPlus beispielsweise schloss 2012 seinen ersten ARPA-E-Vertrag ab. Seitdem ist das Unternehmen in andere Bereiche vorgedrungen und wurde kürzlich als „Key Player“ in der Branche bezeichnet Lithium-Schwefel Markt für Elektrofahrzeugbatterien. ARPA-E beauftragte PolyPlus im Jahr 2020 mit einem weiteren Energiespeicherprojekt, dieses konzentrierte sich jedoch auf die Entwicklung der Signatur des Unternehmens Lithium-Glas-Laminat für die Großserienfertigung von Rolle zu Rolle.

Einen Schritt näher an den Lithium-Luft-Batterien für Elektrofahrzeuge der Zukunft

Mittlerweile haben andere nachgeholt der Lithium-Luft-Brenner, darunter das Argonne National Laboratory des Energieministeriums in Illinois. Im Februar 2023 berichtete ein Forscherteam von Argonne über Fortschritte bei einer Festkörpervariante der Technologie und erklärte, dass „die Batteriechemie des Teams mit dem Festelektrolyten kann die Energiedichte potenziell um das Vierfache gegenüber Lithium-Ionen-Batterien steigern, was sich in einer größeren Reichweite niederschlägt.“

Das Labor unterstützte auch ein Festkörper-Lithium-Luft-Projekt am Illinois Institute of Technology unter der Leitung von Mohammad Asadi, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen. Er berichtete über seine Erkenntnisse im Tagebuch Wissenschaft unter dem Titel, “Eine bei Raumtemperatur wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterie auf Li2O-Basis, die durch einen Festelektrolyten aktiviert wird.„

Wie von Illinois Tech beschrieben, kombinierte Asadi eine Keramik und ein Polymer, um seinen Festkörperelektrolyten zu bilden. Die neue Batterie erreichte leistungsstarke Ladezyklen bei Raumtemperatur, eine Premiere für Lithium-Luft-Batterien.

„Das Batteriedesign hat das Potenzial, eine Kilowattstunde pro Kilogramm oder mehr zu speichern –viermal größer als die Lithium-Ionen-Batterietechnologiewas für die Elektrifizierung des Transportwesens von entscheidender Bedeutung wäre, insbesondere für Schwerlastfahrzeuge wie Flugzeuge, Züge und U-Boote“, stellte Illinois Tech fest.

Lithium-Luft-Batterien für Hochleistungsanwendungen

Dieser Heavy-Duty-Ansatz passt perfekt zu den Ambitionen von ARPA-E für die EV-Batterie der Zukunft, womit Batterien gemeint sind, die Flugzeuge, Lokomotiven und Schiffe antreiben können. Im vergangenen September rief ARPA dazu auf neue Energiespeicherlösungen im Rahmen seines neuen PROPEL-1K-Förderprogramms, das Batterien fordert, die einen Benchmark von 1.000 Wattstunden pro Kilogramm (oder 1.000 Wattstunden pro Liter) erreichen oder übertreffen können. Laut ARPA-E ist das eine mehr als vierfache Verbesserung der Energiedichte gegenüber dem aktuellen Stand der Technik.

ARPA-E erwartet keine Ergebnisse über Nacht, weist jedoch darauf hin, dass mehr und bessere Energiespeichersysteme erforderlich sind, um bis 2050 eine Netto-Null-Wirtschaft zu erreichen, und dass die Forschung im Frühstadium jetzt beginnen muss.

„In der Vergangenheit haben sich Energiespeicher über einen längeren Zeitraum entwickelt und kommerzialisiert“, stellt ARPA-E fest und nennt als Beispiel die Lithium-Ionen-Batterie für Elektrofahrzeuge. Die grundlegende Technologie wurde in den 1970er Jahren entdeckt, es dauerte noch etwa 20 Jahre, bis kommerzielle Anwendungen auf den Markt kamen, und es vergingen weitere 20 Jahre, bis die industrielle Skalierung es der Lithium-Ionen-Technologie ermöglichte, den Massenmarkt für Elektrofahrzeugbatterien zu dominieren.

„Angenommen, dass ‚1K‘-Technologien möglich sind, muss die Entwicklung jetzt beginnen, um sinnvolle Auswirkungen auf das Netto-Null-Klimaziel 2050 zu erzielen“, schlussfolgerte ARPA-E.

Alle Mann an Deck für das Netto-Null-Ziel 2050

ARPA-E gab Anfang dieser Woche die Gewinnerprojekte für die PROPEL-1K-Finanzierung bekannt, und es ist keine Überraschung, dass Illinois Tech und die Lithium-Luft-Batterie in der Mischung.

Die Schule erhält eine Auszeichnung in Höhe von 1,5 Millionen US-Dollar für die weitere Arbeit an ihrer Festkörper-Lithium-Luft-Batterie. „Die kostengünstigen Batteriematerialien in der IIT-Technologie verbessern die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette, und die Batterie könnte eine bis zu drei- bis viermal höhere Energiedichte als aktuelle Lithium-Ionen-Batterien haben“, stellt ARPA-E fest.

Die neue PROPEL-1K-Finanzierungsrunde umfasst auch drei weitere Lithium-basierte Projekte, die möglicherweise eine Rolle in der neuen Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge spielen könnten. Das Unternehmen And Battery Aero hat die Aufgabe, eine neue leichte Batterie speziell für Luftfahrtanwendungen zu entwickeln, und die University of Maryland arbeitet an einer neuen, kostengünstigen Lithium-basierten Chemie.

Die Flow-Batterie der Zukunft

Das dritte weitere Lithium-Luft-Projekt ist besonders interessant, weil es die Lithium-Luft-Technologie in eine Flow-Batterie integriert.

Flow-Batterien tauchen zunehmend auch in stationären Anwendungen auf CleanTechnica hat auch einen bevorstehenden Übergang zu EV-Batterien zur Kenntnis genommen. Das PROPEL-1K-Programm könnte dabei helfen, die Dinge voranzutreiben.

ARPA-E beauftragte die Washington University in St. Louis, Missouri, mit der Entwicklung einer Lithium-Luft-Batterie mit einer sauerstoffgesättigten Flüssigkeit. „Vorläufige experimentelle Ergebnisse haben eine Verzehnfachung der Kapazität bei Verwendung eines zirkulierenden Elektrolyten gezeigt“, stellt ARPA-E fest.

Eine weitere Variante des Themas ist die Aluminium-Luft-Technologie. ARPA-E hat das New Yorker Unternehmen damit beauftragt Wright Electric mit der Columbia University an einer Aluminium-Luft-Flow-Batterie zu arbeiten, die für Anwendungen konzipiert ist, bei denen eine schnelle Betankungszeit unerlässlich ist, beispielsweise in Flugzeugen. Die neue Batterie verfügt über Anoden, die zum Aufladen ausgetauscht werden können.

Ein weiteres Projekt im Bereich Flow-Batterien steht unter dem Dach der Georgia Tech Research Corporation, die an einer neuen Flow-Batterie arbeitet, die teilweise von der Kraftstoffeinspritztechnologie von Verbrennungsmotoren inspiriert ist.

ARPA-E schafft Platz für Brennstoffzellen

ARPA-E wirft ein weites Netz aus, um die EV-Batterie der Zukunft einzufangen, daher ist es keine Überraschung, dass Brennstoffzellen im Mix für schwere Transportanwendungen zu finden sind. Im Einklang mit dem Fokus von ARPA-E auf neue Technologien mit hohem Risiko und hohem Ertrag haben die meisten der ausgezeichneten Projekte die Grenze nicht überschritten CleanTechnica Radar bis jetzt.

Die Speicherung von Wasserstoff an Bord ist eine der Herausforderungen im Bereich mobiler Brennstoffzellen. Daher hat ARPA-E das Unternehmen Aurora Flight Sciences aus Virginia damit beauftragt, an einer Festoxid-Brennstoffzelle zu arbeiten, die Wasserstoff aus der Verbrennung von Aluminium nutzt. Das Unternehmen Giner aus Massachusetts wird eine Wasserstoff-Magnesium-Paste entwickeln und ein Team der Johns Hopkins University wird Methylcyclohexan als Wasserstoffträger einsetzen.

Einen anderen Ansatz vertritt die Washington State University, die an einem Projekt arbeitet, das keramische Brennstoffzellentechnologie mit flüssigem Wasserstoff kombiniert. Flüssiger Wasserstoff ist auch die Lösung für das Unternehmen Precision Combustion aus Connecticut, das ein Hybridsystem entwickeln wird, das eine Brennstoffzelle und eine kleine Batterie kombiniert.

Um es klarzustellen: Die gesamte Finanzierungsrunde ist auf Hochleistungsanwendungen ausgerichtet. Die Anwendung neuer EV-Batterietechnologien auf Personenkraftwagen ist im Hinblick auf Märkte, Lieferketten und Betankungsmöglichkeiten eine andere Sache. Wenn Sie dazu eine Meinung haben, hinterlassen Sie uns eine Nachricht im Kommentarthread.