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Vier Herausforderungen beim Scale-up von Festkörperbatterien
2020-03-25 12:50:46

Da die Nachfrage nach Energiespeichern in den kommenden Jahren nur noch steigen wird, ist es wichtig, Probleme zu lösen, die bei Batterietechnologien häufig auftreten, darunter Brandschutz, Energiedichte, Haltbarkeit und Recyclingfähigkeit.

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Festkörperbatterien, die Festelektrolyte anstelle der in Lithium-Ionen-Alternativen verwendeten Flüssigkeiten und Gele enthalten, bieten ein vielversprechendes Potenzial für die Energiespeicherung, und Forschungsinstitute und Industrieunternehmen arbeiten daran, die Technologie in die kommerzielle Produktion in großem Maßstab zu bringen.

Die University of California in San Diego (UCSD) gehört zu den Institutionen, die an Festkörperbatterien arbeiten, und hat in ihrem Labor verschiedene Lösungen für neue Batteriechemien entwickelt. Jetzt tritt UCSD einen Schritt zurück, um das Gesamtbild der Festkörperbatterietechnologie und die Überlegungen zu betrachten, die berücksichtigt werden müssen, wenn sich der Batterietyp der Produktion nähert.

Herausforderungen

In dem in Nature Nanotechnology veröffentlichten Artikel Von der Charakterisierung nanoskaliger Grenzflächen zur nachhaltigen Energiespeicherung mit Festkörperbatterien skizzieren UCSD-Forscher vier Überlegungen, die bei der Entwicklung von Festkörperbatterien an vorderster Front bleiben sollten: stabile chemische Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektroden, effektive Werkzeuge zur Charakterisierung, nachhaltige Herstellungsprozesse und Design für Recyclingfähigkeit.

"Es ist wichtig, dass wir zurücktreten und darüber nachdenken, wie wir diese Herausforderungen gleichzeitig angehen können, da sie alle miteinander zusammenhängen", sagte Shirley Meng, Professorin für Nanotechnik an der UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Wenn wir das Versprechen von Festkörperbatterien einhalten wollen, müssen wir Lösungen finden, die all diese Herausforderungen gleichzeitig bewältigen."

Chemische Bedenken

Obwohl die Herstellung von Festkörperelektrolyten, die bei Raumtemperatur funktionieren können, als Hauptziel der Technologie angesehen wurde, wies die UCSD-Gruppe darauf hin, dass es jetzt mehrere Optionen gibt, die flüssige Elektrolyte übertreffen können, sodass es an der Zeit ist, sich auf die chemischen Wechselwirkungen zu konzentrieren zwischen Batteriekomponenten. "An diesem Punkt sollten wir unseren Fokus von der Jagd nach höherer Ionenleitfähigkeit abwenden", sagte Meng. "Stattdessen sollten wir uns auf die Stabilität zwischen Festkörperelektrolyten und Elektroden konzentrieren."

Da Festelektrolyte in der Regel weniger transparent sind als flüssige Alternativen, ist es komplizierter, Einblicke in den Batteriebetrieb im Nanobereich zu erhalten. Die San Diego-Gruppe stellte fest, dass bald Lösungen benötigt werden, und schlug Möglichkeiten vor, einschließlich kryogenem Einfrieren und Röntgenbildgebung.

Nachhaltig skalieren

In der Lieferkette für Batteriematerialien bestehen starke Umweltbedenken, und die Festkörpertechnologie hat das Potenzial, einige von ihnen anzugehen, wenn der richtige Ansatz gewählt wird.

Laut der UCSD-Gruppe ist die Entwicklung von Festkörperbatterien unter Berücksichtigung der Recyclingfähigkeit und des Second-Life-Verbrauchs von entscheidender Bedeutung sowie eine starke Lieferkette, die praktisch und kostengünstig erweitert werden kann.

"Kostengünstige Wiederverwendbarkeit und Recyclingfähigkeit müssen in die zukünftigen Fortschritte einfließen, die für die Entwicklung von Festkörperbatterien mit einer hohen Energiedichte von 500 Wh / kg oder besser erforderlich sind", sagte Zheng Chen, Nanoengineering-Professor an der UC San Diego. "Es ist wichtig, dass wir nicht die gleichen Recyclingfehler machen, die mit Lithium-Ionen-Batterien gemacht wurden."

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