Vergleich zwischen Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge und Lithium

Automobilhersteller bemühen sich darum, Festkörperbatterien zu entwickeln, um im Rennen um Elektrofahrzeuge voranzukommen. Vergleichen wir es mit Lithium-Ionen-Batterien.

Elektrische Autos sind aus dem Nischenstatus in den Mainstream gewachsen. Im Jahr 2020 machten Elektrofahrzeuge (EVs) weniger als 5 % des weltweiten Pkw-Verkaufs aus. Aber in nur 2 Jahren hat sich dieser Marktanteil ungefähr verdreifacht (14 % im Jahr 2022). Autohersteller beeilen sich nun, ihre eigenen elektrifizierten Modellangebote zu entwickeln, um sich ein Stück vom wachsenden EV-Kuchen abzuschneiden.

Obwohl einige Autohersteller immer noch in Elektrofahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzelle (HFCEV) investieren, zeigen die Verkaufszahlen, dass Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV) einen Großteil der heute verkauften Elektrofahrzeuge ausmachen. Von den rund 10,5 Millionen im Jahr 2022 weltweit verkauften Elektrofahrzeugen machten reine BEVs 73 % aus, während Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) fast die gesamten verbleibenden 27 % ausmachten. Brennstoffzellen werden möglicherweise in Zukunft weiterhin in industriellen und kommerziellen Anwendungen eingesetzt, aber für den Rest dieses Jahrzehnts werden Batterien wahrscheinlich die dominierende Energiespeicherlösung für die Elektrofahrzeugindustrie sein.

Zu diesem Zweck unternehmen Automobilunternehmen umfangreiche interne und partnerschaftliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen, um die Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge zu verbessern. Basierend auf aktuellen Pressemitteilungen aus der Automobilbranche scheint es, dass Festkörperbatterien der nächste große Durchbruch bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen sein könnten.

Was ist also eine Festkörperbatterie und wie unterscheidet sie sich von der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie, die heute in Elektrofahrzeugen verwendet wird? Lesen Sie weiter und erfahren Sie, wie Festkörperbatterien die Elektrofahrzeugbranche verändern können.

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Eine Festkörperbatterie ist ein Gerät, das Energie mithilfe eines Festelektrolytmaterials anstelle des herkömmlichen flüssigen Elektrolyten speichert. Der Elektrolyt fungiert als Transportmedium für Lithiumionen, sodass diese zwischen einer negativen (Anode) und einer positiven (Kathode) Elektrode wandern können. Abhängig von der Bewegungsrichtung der Ionen wird Energie entweder freigesetzt (z. B. während der Batterienutzung) oder gespeichert (z. B. während des Batterieladens). Der Festelektrolyt dient nicht nur als Transportmedium, sondern auch als physikalische Trennung zwischen den beiden Elektroden.

Die meisten herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien in heutigen Elektrofahrzeugen verwenden flüssige Lithium-Salz-Elektrolytlösungen.

Festkörperbatterien haben gegenüber den aktuellen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt viele Vorteile.

In den folgenden Abschnitten werden diese Vorteile ausführlicher erläutert.

Heutige herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge können 100 bis 265 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) speichern. Nach Angaben der National Aeronautics and Space Administration (NASA) können Festkörperbatterien bis zu 500 Wh/kg speichern. Anhand dieser Zahlen können wir erkennen, dass Festkörperbatterien bei gleichem Batteriegewicht zwei- bis fünfmal mehr Energie speichern können. Leichtere und dichtere Festkörperbatterien werden in verschiedenen Branchen und Anwendungen zu vielen Betriebsverbesserungen führen, aber für uns Autokäufer ist der vielleicht wichtigste Vorteil eine größere elektrische Reichweite.

Reichweitenangst ist eines der Haupthindernisse für die breite Einführung von Elektrofahrzeugen. Schließlich möchte niemand, dass seine Elektrofahrzeuge mitten im Nirgendwo leer sind und keine Ladestationen in Sicht sind. Ab 2023 haben Elektrofahrzeuge in den USA eine durchschnittliche Reichweite von 291 Meilen. Wenn alle anderen Faktoren konstant bleiben, können Festkörperbatterien theoretisch die durchschnittliche Reichweite von Elektrofahrzeugen auf 600 Meilen erhöhen. Das sind fast 100 Meilen mehr als die Reichweite eines 2,5-Liter-Toyota Camry 2023 mit reinem Benzinantrieb (505,6 Meilen). Wenn 600 Meilen immer noch nicht beeindruckend sind, hat Toyota angekündigt, irgendwann nach 2028 möglicherweise eine 900-Meilen-Festkörperbatterie anzubieten.

Zukünftige Käufer von Elektrofahrzeugen können sich auf drei weitere wichtige Vorteile freuen, die sich aus der höheren Energiedichte von Festkörperbatterien ergeben: Platzbedarf, Handhabung und Nutzen.

Laut einem Artikel im Science Direct Journal aus dem Jahr 2022 gelten Festkörperbatterien als sicherer als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Aufgrund des festen Elektrolytmaterials zwischen den Elektroden sind Festkörperbatterien weniger anfällig für giftige Leckagen und Brände von Elektrofahrzeugbatterien. Brände von Elektrofahrzeugen, die durch die thermisch außer Kontrolle geratene chemische Reaktion herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien verursacht werden, sind sehr schwer zu löschen. Um einen Brand in einem Elektrofahrzeug zu löschen, kann 20-mal mehr Wasser benötigt werden als bei einem Brand in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (ICE). Brände von Elektrofahrzeugen können sehr heiß und sehr heftig brennen, insbesondere weil das Wasserstoffgas, das bei der Reaktion von Lithium mit Wasser entsteht, das Feuer noch weiter anheizt.

Abgesehen von der höheren Energiedichte laden Festkörperbatterien auch schneller als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Hier sind die Faktoren, die zur schnelleren Ladezeit beitragen:

Derzeit benötigen Elektrofahrzeuge mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien 30 bis 40 Minuten, um mit den schnellsten Gleichstromladegeräten der Stufe 3 von 10 % auf 80 % zu gelangen. Im Gegensatz dazu behauptet Toyota, dass seine Festkörperbatterien nur 10 Minuten benötigen, um von 10 % auf 80 % Ladezustand aufzuladen.

Viele derzeitige Besitzer von Elektrofahrzeugen haben sich bereits über die schlechte Leistung von Elektrofahrzeugen bei kaltem Wetter beschwert, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf kürzeren Reichweiten, langsamerem Laden und schwächerem Drehmoment liegt. Diese Probleme sind zu erwarten, da Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge einen Betriebstemperaturbereich zwischen 50 und 86 Grad Fahrenheit (10 bis 30 Grad Celsius) haben. Viele Elektrofahrzeuge werden in den kältesten Wintern Nordamerikas Probleme haben. Darüber hinaus werden viele der heutigen Elektrofahrzeuge in den heißesten Klimazonen nicht optimal funktionieren.

Im Gegensatz dazu haben veröffentlichte wissenschaftliche Studien gezeigt, dass Festkörperbatterien bei -40 bis 338 Grad Fahrenheit bzw. bei -40 bis 170 Grad Celsius effizient arbeiten können.

Sie fragen sich vielleicht: Wenn Festkörperbatterien so gut sind, warum nutzen Autohersteller sie dann nicht mehr? Hier sind einige Gründe:

Festkörperbatterien sind noch relativ neu und es gibt noch keinen standardisierten Prozess und keine standardisierten Materialien, die einer Massenproduktion Platz machen könnten. Somit haben Festkörperbatterien folgende Nachteile:

Einige Unternehmen versuchen, Festelektrolyte mit Keramikschichten zu entwickeln, um die Schnittstelle zwischen Elektrolyt und Elektroden zu verbessern. Keramikelektrolyte sind jedoch von Natur aus spröde, was die Herstellung dünner Keramikelektrolytschichten sehr anspruchsvoll macht.

Bis Juni 2023 hat kein Automobilhersteller ein Serien-Elektrofahrzeug mit Festkörperbatterie auf den Markt gebracht. Im vergangenen Jahr stellte Toyota jedoch einen LQ Concept-Prototyp eines Elektrofahrzeugs vor, das mit Festkörperbatterien betrieben wird. Dennoch haben mehrere Automarken erheblich in die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien investiert.

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Das US-Bundesgesetz schreibt vor, dass für Batterien von Elektrofahrzeugen eine Garantie von mindestens 8 Jahren/100.000 Meilen gilt. Es wird jedoch erwartet, dass die heutigen herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge viel länger halten. Beispielsweise ist die Batterie des Tesla Model 3 auf eine Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren – oder zwischen 300.000 und 500.000 Meilen – ausgelegt.

Einige Batterieforschungs- und -entwicklungsunternehmen haben behauptet, dass Festkörperbatterien ab dem Jahr 2023 eine Reichweite von 400.000 Meilen haben können. Darüber hinaus werden sich Festkörperbatterien wahrscheinlich erst nach 10.000 Lade- und Entladezyklen spürbar verschlechtern – fast fünfmal länger als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mit 2.000 bis 3.000 Zyklen.

Ron hat in den Strategie- und Marketingabteilungen einiger Automobilmarken gearbeitet. Wenn er nicht gerade über Autos schreibt, analysiert er gerne Daten aus der Automobilindustrie, um sie mit anderen Enthusiasten oder seinen Hunden zu teilen.