So nah und doch so fern. Festkörperbatterien bieten den glänzenden Preis größerer Reichweite, schnellerer Aufladung und längerer Lebensdauer sowie nachhaltigerer Lieferketten und erhöhter Sicherheit für Elektrofahrzeuge. Panasonic ist der neueste Hersteller, der die Technologie über das bekannte knopfgroße Format hinaus vorantreibt, aber halten Sie nicht den Atem an, wenn es um die neue Batterie für Elektrofahrzeuge geht. Das kurzfristige Ziel des Unternehmens besteht in Drohnen und Fabrikrobotern, nicht in Straßenfahrzeugen.
In der Zwischenzeit könnte das US-Energieministerium jedoch etwas auf der Spur sein …
Festkörperbatterien für Drohnen und Fabrikroboter
Im Übrigen ist das kurzfristige Ziel von Panasonic nicht ganz so nah. Mehreren Nachrichtenberichten Anfang dieser Woche zufolge rechnet das Unternehmen nicht mit einer kommerziellen Verfügbarkeit vor 2029.
Nikkei Asien gehört zu denen, die darauf hinweisen, dass einige Elemente von Panasonic neue Festkörperbatterie könnte auf Elektrofahrzeuge angewendet werden. Allerdings hat sich das Unternehmen vorerst ein bescheideneres Ziel gesetzt.
„Panasonics Festkörperbatterie hat eine viel geringere Energiekapazität als die fortschrittlichsten Lithium-Ionen-Batterien des Unternehmens, verfügt aber über eine schnellere Ladegeschwindigkeit.“ Nikkei Asien beobachtet. „Das Unternehmen sagte außerdem, es habe eine der bislang größten Schwächen von Festkörperbatterien überwunden: die begrenzte Lebensdauer.“
Massenproduktion von Festkörperbatterien: Was ist der große Stillstand?
Wenn Panasonic also in der Lage ist, Festkörperbatterien für Drohnen und Roboter in Massenproduktion herzustellen, warum kann das Unternehmen dann nicht mit den Batterien für Elektrofahrzeuge gleichziehen? Immerhin, laut Nikkei Asien Wie aus anderen Quellen hervorgeht, ließ ein Sprecher von Panasonic verlauten, dass die neuen Festkörperbatterien des Unternehmens einige Technologien mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien teilen.
Wenn Ihnen die Sache mit der Massenproduktion aufgefallen ist, dann ist das eines der klebrigen Dinge. Der Nachweis der Lebenszyklusdauer und anderer Fähigkeiten anhand im Labor hergestellter Prototypen ist eine Sache. Die Umsetzung der Technologie in ein massenproduzierbares Produkt zu einem vernünftigen Preis ist ein weiterer Aspekt, wie die Vielzahl von Interessenvertretern aus der Automobilbranche zeigt, die Festkörperbatterien nach dem Prinzip „Seeing-is-believe“ angekündigt haben.
Zum jetzigen Zeitpunkt umfasst die Liste unter anderem BMW, Vinfast, Ford, Nissan, GM, Stellantis und Toyota (weitere Berichterstattung finden Sie hier).
Massenproduktion von Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge: Problem (irgendwann) gelöst
Wie der Name schon sagt, verwenden Festkörperbatterien einen festen Elektrolyten anstelle des flüssigen Elektrolyten, der in herkömmlichen Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet wird. Das könnte ein Segen und ein Fluch sein. Ein festes, inertes Material reduziert die Gefahr einer Entflammbarkeit praktisch auf Null. Es ist jedoch nicht einfach, ein solides Material zu entwickeln, das Tausenden von Ladezyklen standhält, ohne zu zerfallen.
Festkörperbatterien haben außerdem eine höhere Energiedichte, was gut ist. Eine erhöhte Energiedichte kann jedoch zu höheren Kosten führen.
In einem eklatanten Ausdruck des grassierenden Sozialismus verlassen sich Batteriebeteiligte des privaten Sektors auf die Hilfe des US-Energieministeriums und nutzen dabei die großen finanziellen Mittel, Laborressourcen und technischen Fachkenntnisse der Behörde.
Das Energieministerium hat sein ausgedehntes Netzwerk nationaler Laboratorien in Betrieb genommen. Dazu gehört auch das Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, das dort seine Analysegeräte der nächsten Generation einsetzt Studieren Sie Festkörpertechnologie. Sie haben auch eine Lösung für die Praxis gefunden.
„Nachdem monatelang vielversprechende Testergebnisse erzielt wurden, empfehlen Batterieforscher am Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums der Festkörperbatterieindustrie, sich auf eine Technik zu konzentrieren, die als isostatisches Pressen bekannt ist Kommerzialisierung von Batterien der nächsten Generation„, berichtete das Labor letzten März.
Alle Einzelheiten erfahren Sie hier die neue Herstellungsmethode für Elektrofahrzeugbatterien aus dem Tagebuch ACS-Energiebriefe unter dem Titel, “Die Rolle des isostatischen Pressens bei der Massenproduktion von Festkörperbatterien.”
Für diejenigen unter Ihnen, die viel unterwegs sind: Isostatisches Pressen ist eine Art chemische Umarmung, bei der Flüssigkeiten und Gase in einem geschlossenen System kombiniert werden, um einen gleichmäßigen Druck auf eine Substanz auszuüben. Grob gesagt ähnelt es dem Sintern, bei dem ein Pulver zu einem vollständig integrierten Feststoff komprimiert (und typischerweise erhitzt) wird, ohne dass es zuerst verflüssigt werden muss.
Die isostatische Technik kann bei verschiedenen Batterieformeln verwendet werden, um einen festen Elektrolyten in dünnen, gleichmäßigen Schichten zu erzeugen.
„Mit Hilfe eines Industriepartners, der diese Pressausrüstung herstellt, fanden ORNL-Forscher heraus, dass isostatisches Pressen die Batterieproduktion einfacher und schneller machen und gleichzeitig bessere Bedingungen für den Energiefluss schaffen könnte“, berichtete das Labor etwas geheimnisvoll.
Was ist das Tolle am isostatischen Pressen?
Isostatisches Pressen wird üblicherweise zum Verbinden verschiedener Materialien, einschließlich 3D-gedruckter Teile, verwendet, hat jedoch von Forschern für Elektrofahrzeugbatterien nur wenig Beachtung gefunden. Das könnte sich nun ändern, da das Team von Oak Ridge darauf aufmerksam gemacht hat. Die Methode ist quellenunabhängig und kann an eine breite Palette von Festkörperbatteriematerialien angepasst werden.
„Alle diese Materialien haben ihre einzigartigen Vorteile, die Forscher gerne nutzen würden“, erklärt Oak Ridge-Forscher Marm Dixit. „Deshalb ist es wichtig, dass Sie das isostatische Pressen überall von Raumtemperatur bis zu mehreren tausend Grad Fahrenheit durchführen können: Das bedeutet, dass Sie alles von Polymeren bis hin zu Oxiden und die gesamte Bandbreite an Materialien verwenden können.“
Ein weiteres Merkmal des isostatischen Pressens ist die Möglichkeit, alle drei Komponenten einer Elektrofahrzeugbatterie – Anode, Kathode und Elektrolyt – in einem Prozess zusammenzuschweißen.
„Außerdem ließe sich isostatisches Pressen relativ einfach kommerziell ausbauen – eine Erkenntnis, die große Aufmerksamkeit erregt hat, da Unternehmen um die Lieferung von Festkörperbatterien an Automobilhersteller konkurrieren“, stellte das Labor fest.
Irgendwann kommen Festkörperbatterien
Die nächsten Schritte der Oak Ridge-Forschung umfassen weitere Tests, um zu zeigen, dass isostatisches Pressen die Textur eines Festelektrolyten proaktiv steuern kann, anstatt sie einfach zu verändern.
Wenn Sie sich fragen, wer dieser mysteriöse Partner ist, dann sind wir es auch. In der Zwischenzeit lässt das Energieministerium das Gras unter Oak Ridges Füßen nicht wachsen. Die Agentur kündigte einen Finanzierungstopf in Höhe von 16 Millionen US-Dollar an fortgeschrittene Batterieforschung erst gestern, mit 16 Millionen US-Dollar, die auf fünf Projekte aufgeteilt werden sollen. Darin enthalten sind 4 Millionen US-Dollar, die an Oak Ridge für ein Projekt mit dem Titel „Herstellung großformatiger Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte und langer Haltbarkeit und Oxidelektrolyt“ gehen.
„Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und Industriepartner (Intecells und High-T Tech) werden einen skalierbaren Prozess zur Herstellung von Festkörperbatterien mit LiNixMnyCo1-x-yO2 (x≥0,6, NMC) Kathoden- und Oxid-basierten Elektrolyten entwickeln. das an sich nicht brennbar ist“, berichtete das Energieministerium.
Wenn alles nach Plan verläuft, wird das Ergebnis ein kontinuierlicher Herstellungsprozess sein, der Anode, Kathode und Elektrolyt integriert. Was die Skalierung betrifft, rechnet das Energieministerium damit, weit über das „Knopf“-Format hinauszugehen.
Um die Erwartungen nicht zu hoch zu treiben: Das Energieministerium verlangt nicht Tausende von Zyklen – noch nicht. Das Ziel dieses speziellen Projekts ist ein bescheideneres von 500 Zyklen mit 350 Wattstunden pro Kilogramm oder mehr.
3D-Druck zur Rettung
Zur Erinnerung: Intelells ist ein US-Startup, das sich entwickelt hat ein fortschrittliches Batterieherstellungssystem Dadurch wird die herkömmliche, auf Schlamm basierende Methode zugunsten des 3D-Drucks über Bord geworfen und bietet die Möglichkeit, Batterien in verschiedenen Formen zu konstruieren.
„Derzeit erfordert die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien einen mehrstufigen Schlammgussprozess, der viel Kapital und Energie erfordert, aber nur flache Elektroden mit begrenzter Energiedichte herstellen kann“, stellt das Unternehmen fest.
Der andere Partner im Oak Ridge-Projekt, HighT-Tech, hat eine ultraschnelle Hochtemperatur-Sintertechnologie zur Herstellung von Festkörperbatterien mit Schwerpunkt auf der Natrium-Ionen-Technologie entwickelt. Wie von HighT beschrieben, befasst sich ihr UHS-Prozess mit einer Wäscheliste von Herausforderungen für die Festkörperfertigung. Dies beinhaltet eine Kosten-, Material- und Zeitersparnis im Vergleich zu herkömmlichen Sintersystemen.
„Um den weltweiten Energiespeicherbedarf zu decken, werden Milliarden Quadratmeter Festkörperelektrolyte benötigt. Herkömmliches Sintern kann den Fertigungsbedarf einfach nicht decken.“ HighT erklärt. „Beim herkömmlichen Ofensintern dauert es mehr als 10 Stunden, bis eine ausreichende Dichte erreicht ist. Daher ist ein Pulverbett erforderlich, um Li zu vermeiden [lithium] Verlust während des längeren Sinterprozesses.“
Vielleicht müssen wir auf die Feststoffbatterien der Zukunft doch nicht mehr lange warten. Zusätzlich zu der 4-Millionen-Dollar-Auszeichnung ist Oak Ridge auch Partner ein weiteres 4-Millionen-Dollar-Solid-State-Projekt unter der Leitung des National Renewable Energy Laboratory und einem Preis in Höhe von 3 Millionen US-Dollar unter der Schirmherrschaft des Argonne National Laboratory.
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Bild: “In einer Festkörperbatterie kann reaktives Lithiummetall (blau) enthalten sein koexistieren stabil mit einem Festelektrolyten „LiPON“ (gelb) genannt, wenn sich eine etwa 70 Atome dicke Zwischenphase (grün) bildet“ (Quelle: Jill Hemman/ORNL, US-Energieministerium).
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