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Jun 22, 2023

Lithium

Von SPW | 29. Januar 2019 Von Sofiane Boukhalfa, PhD, Projektarchitektin; Und

Von SPW | 29. Januar 2019

Von Sofiane Boukhalfa, PhD, Projektarchitektin; und Navneeta Kaul, PhD, Forscherin; beide mit PreScouter

Die moderne Welt wird mit Lithiumbatterien betrieben. Allerdings werden zahlreiche Chemikalien und neuartige Technologien entwickelt, um den Einschränkungen von Lithium-Ionen-Batterien entgegenzuwirken, einschließlich der hohen Kosten, der Rohstoffbeschaffung und der Überhitzung. Das in Chicago ansässige Research-Intelligence-Unternehmen PreScouter hat kürzlich einen Bericht veröffentlicht, in dem zehn neue Batterietechnologien detailliert beschrieben werden, die den Markt im nächsten Jahrzehnt revolutionieren und die nächste Welle von Hochleistungsbatterien einläuten werden. Hier finden Sie einen allgemeinen Überblick über die Ergebnisse des Berichts, einschließlich einer Übersicht über diese Batterietechnologien, die für Solar- und Speichersysteme am wertvollsten sind.

Zehn Batterietechnologien, die den Solar-plus-Speicher-Markt in den nächsten fünf bis zehn Jahren revolutionieren könnten. PreScouter

In Li-Ionen-Batterien wurden traditionell Graphitanoden verwendet, doch Forscher und Unternehmen konzentrieren sich jetzt auf Siliziumanoden. Die Si-dominanten Anoden können Li-Ionen 25-mal stärker binden als die Graphit-Ionen. Allerdings weisen diese Batterien eine geringe elektrische Leitfähigkeit, eine langsame Diffusionsrate und große Volumenschwankungen während der Lithiierung auf. Diese Einschränkungen führen zu einer Si-Pulverisierung und einer Instabilität der Festelektrolyt-Interphase (SEI).

Um diese Herausforderungen zu umgehen, wurden zwei Hauptstrategien eingesetzt: Nanotechnologie und Kohlenstoffbeschichtung. Bei der ersteren Methode werden verschiedene Si-Anoden in Nanogröße verwendet, die im Vergleich zu Si-Anoden in großen Mengen eine große Oberfläche, eine verbesserte Zyklenlebensdauer und Geschwindigkeitsstabilität aufweisen. Sie können auch der Lithiierung und Delithiierung standhalten, ohne zu reißen. Bei der Kohlenstoffbeschichtung wird nanoskaliges Si mit verschiedenen Formen von Kohlenstoffmaterialien kombiniert, um leistungsstarke Si/C-Nanokompositanoden zu erzeugen. In jüngster Zeit erregt dotierter Kohlenstoff mit Heteroatomen als Beschichtungsmittel großes Interesse. Die mit Heteroatomen dotierten Si-C-Elektroden binden Li-Ionen stärker als Kohlenstoffatome, was zu einer hervorragenden elektrochemischen Leistung mit stabiler elektrischer Leitfähigkeit führt.

Si-basierte Batterien haben aufgrund ihres Potenzials für niedrige Kosten und verbesserter Leistungsfähigkeit für Autos und Smartphones großes kommerzielles Interesse geweckt. Der Wettbewerb ist hart und viele Startup-Unternehmen, darunter Sila Nanotechnologies, Enovix, Angstron Materials und Enevate, wollen Si-dominierte Li-Ion-Batterien vermarkten.

Aufgrund der ähnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Na- und Li-Ionen sind Natrium-Schwefel-Batterien eine der vielversprechendsten Alternativen zu Lithium-Schwefel-Batterien. Für den Batteriebetrieb ist jedoch eine hohe Temperatur (>300°C) erforderlich. Als vielversprechende Alternative hat das kostengünstige RT-NaS-Batteriesystem großes Forschungsinteresse für den Einsatz in groß angelegten Netzanwendungen mit erhöhter Sicherheit geweckt. Aufgrund komplexer Reaktionen innerhalb der Batterie weisen die RT-NaS-Batterien jedoch eine geringere theoretische Kapazität auf.

Um die Probleme der RT-NaS-Batterien zu lösen, wurden im Jahr 2018 verschiedene Ansätze verfolgt.

Ein neuer Ansatz für wiederaufladbare Batterien. RT-NaS-Batterie mit einer Metallnetzmembran. MIT

Schematische Darstellung der Synthese des mit Kobalt-Nanopartikeln dekorierten Hohlkohlenstoffs. Natur

Schematische Darstellung der Elektrolyte mit herkömmlichem 1M NaTFSI in PC-Elektrolyt und (rechts) 2MNaTFSI in PC:FEC mit 10 mM InI3-Zusatzelektrolyt. Natur

Obwohl sich RT-NaS-Batterien noch in der frühen Entwicklungsphase befinden, arbeiten Unternehmen wie Ambri, ein Spin-out-Unternehmen des MIT unter der Leitung von Dr. Sadoway, an der Verbesserung des Batteriedesigns. Die nächste Generation von NaS-basierten Energiespeichertechnologien könnte mit den oben diskutierten laufenden Forschungsbemühungen und Ansätzen bald Realität werden.

Viele Forschungsanstrengungen wurden der Entwicklung von Hochleistungs-Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) gewidmet. Allerdings stellt die Realisierbarkeit von PEM-Brennstoffzellen aufgrund ihrer hohen Kosten, des Transports und der Speicherung von Wasserstoffgas eine Herausforderung dar.

Ein Forscherteam der RMIT University berichtete kürzlich erstmals über die technische Machbarkeit einer Protonenbatterie. Es besteht aus zwei Teilen: einer Kohlenstoffelektrode zur Speicherung von Wasserstoff oder Protonen aus Wasser und einer reversiblen PEM-Brennstoffzelle zur Stromerzeugung aus dem Wasserstoff. Das Batteriedesign ist innovativ, da es Aktivkohle für die Elektrode verwendet, die günstig, reichlich vorhanden und strukturell stabil für die Wasserstoffspeicherung ist, sowie ein kleines Volumen flüssiger Säure im porösen Material, das Protonen zur und von der Membran der reversiblen Zelle leitet. Mit diesem Akku ist eine Spannung von 1,8 V erreichbar.

Das neuartige Batteriekonzept, wie es 2014 von Professor Andrews vom RMIT vorgeschlagen wurde. Grafische Zusammenfassung aus der Forschungsarbeit von Professor Andrews

Auch wenn dies ein enormer Schritt hin zur effizienten wasserstoffbetriebenen Energieerzeugung ist, ist die Kommerzialisierung dieser Technologie noch in weiter Ferne. Das Team schätzt die Verfügbarkeit der Batterie auf fünf bis zehn Jahre. ABB Marine und Sintef Ocean testen außerdem eine Antriebsanlage im Megawatt-Maßstab, um Handels- und Passagierschiffe mit Wasserstoff-Brennstoffzellen anzutreiben. Da diese Batterien abgesehen von der Verwendung von Platin als Katalysator überhaupt kein Li-Ion benötigen, sind die übrigen Materialien kostengünstig und reichlich vorhanden und könnten daher ein Spitzenkonkurrent für die aktuellen Li-Ion-Batterien sein.

Dual-Ionen-Batterien (DIBs), die andere Metalle als Lithium verwenden, haben in den letzten Jahren großes Interesse für die stationäre Stromspeicherung in großem Maßstab geweckt. Derzeit werden Forschungsbemühungen unternommen, um die Energiedichte der DIBs zu erhöhen, indem der Ionengehalt des Elektrolyten und die Fähigkeit der Elektroden, Ladungen zu speichern, erhöht werden.

Aluminium ist reichlich vorhanden, kostengünstig, leicht verfügbar und günstig und wird als potenzieller Ersatz für Li-Ionen-Batterien untersucht. Schweizer Forscher der ETH Zürich haben zwei neue Technologien entwickelt, die ein Sprungbrett für die Kommerzialisierung von Al-basierten Batterien sind.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer wiederaufladbaren Aluminiumbatterie während des Ladens mit einer Polypyren-Kathode und einer ionischen Chloroaluminat-Flüssigkeit. Fortgeschrittene Werkstoffe

Diese Forschungsbemühungen sind vielversprechend für die Kommerzialisierung von Al-Ionen-Batterien als kostengünstige Speicherlösung für die Industrie.

Nickel-Zink-Batterien sind kostengünstige, sichere, ungiftige und umweltfreundliche Batterien, die bei der Energiespeicherung mit Li-Ionen-Batterien konkurrieren können. Das Haupthindernis für die Kommerzialisierung war jedoch ihre kurze Lebensdauer.

Um dieses Problem anzugehen, haben chinesische Forscher der Dalian University of Technology eine bahnbrechende In-situ-Schneidetechnik entwickelt, um die Leistung von Ni-Zn-Batterien zu verbessern, indem sie das Problem der Auflösung der Zn-Elektrode löst und die Bildung von Dendriten unterdrückt. Das Team entwickelte eine neuartige Graphen-ZnO-Hybridelektrode mit der In-situ-Schneidetechnik, die Graphen direkt in kurze Nanobänder schneiden kann. Die starken interatomaren Wechselwirkungen verankern Zn-Atome auf Graphenoberflächen. Dieser Ansatz behebt gründlich die Probleme der Auflösung der Zn-Elektrode, der Dendritenbildung und der Leistung.

Aufgrund der laufenden Forschung und der von Unternehmen verfolgten Ansätze weisen diese Batterien ein enormes Potenzial für weit verbreitete kommerzielle Anwendungen von Elektrofahrzeugen (EVs) und Energiespeicherung auf.

In letzter Zeit gab es viele Durchbrüche zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung von Kaliumionenbatterien (KIBs). Drei erwähnenswerte sind unten aufgeführt.

Diese neuartigen Ansätze werden dazu beitragen, die Einschränkungen geeigneter Wirtssubstrate für die Interkalation von K-Ionen zu umgehen, und sind ein vielversprechender Schritt, um industrielle Investitionen für kommerzielle Anwendungen anzuziehen.

Wasser kann Ionen leiten und zur Herstellung wiederaufladbarer Batterien verwendet werden. Die chemische Stabilität von Wasser beträgt jedoch bis zu 2,3 ​​V, was dreimal weniger als bei Lithium-Ionen-Batterien ist, was den Einsatz in Elektrofahrzeugen einschränkt. Diese Batterien könnten für stationäre Stromspeicheranwendungen geeignet sein. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, verwendeten Forscher der Schweizerischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) ein spezielles Salz namens Natriumbis(fluorsulfonyl)imid (FSI), das sehr gut wasserlöslich ist. In der salzhaltigen Flüssigkeit sind alle Wassermoleküle um die Natriumkationen in einer Hydrathülle konzentriert, so dass kaum ungebundene Wassermoleküle vorhanden sind. Diese Salzlösung weist eine überlegene elektrochemische Stabilität von bis zu 2,6 V auf, was doppelt so hoch ist wie bei anderen wässrigen Elektrolyten. Der Prototyp hat im Labor vielversprechende Ergebnisse gezeigt und kann mehrere Lade-Entlade-Zyklen überstehen.

In ähnlicher Weise haben Forscher in Stanford eine kostengünstige, langlebige Salzwasserbatterie zur Speicherung von Solar- und Windenergie entwickelt. Diese Batterien sind einfach zu entwickeln, da sie für die katalytischen Reaktionen lediglich Mangansulfat, Wasser, billiges Industriesalz und Elektroden benötigen. Darüber hinaus speichert die chemische Reaktion Elektronen als Wasserstoffgas für die zukünftige Verwendung, was ihre Eignung für Anwendungen im Netzmaßstab verdeutlicht. Die Leistung des Prototyps der Mangan-Wasserstoff-Batterie konnte gesteigert werden und zeigt eine solide Leistung von bis zu 10.000 Zyklen und eine längere Lebensdauer. Die Batterie wird derzeit von den Forschern patentiert, bevor sie kommerziell genutzt werden kann. Es hat großes industrielles Interesse geweckt und Unternehmen wie Aquion Energy arbeiten daran, günstigere Batterien für die Speicherung auf Netzebene herzustellen. BlueSky Energy nutzt die Salzwassertechnologie von Aquion für die Solarspeicherung in Wohngebäuden.

Obwohl die derzeitigen Einsatzmöglichkeiten der Salzwasserbatterien begrenzt sind, bieten sie für den Einsatz in stationären Speichersystemen dennoch mehrere Vorteile, darunter Sicherheit, niedrige Kosten und Ungiftigkeit.

Mikrobielle Biobatterien auf Papierbasis haben großes Interesse geweckt, da sie kostengünstig, umweltfreundlich und selbsttragend sind. Sie könnten enorme Anwendungen in Biosensoren und zukünftigen elektronischen Geräten haben. Die größte Einschränkung liegt jedoch in der geringen Leistung.

Kürzlich haben Seokheun Choi und ein Team von Wissenschaftlern eine leistungsstarke mikrobielle Batterie entwickelt, die aus einem biologisch abbaubaren Papier-Polymer-Substrat besteht. Die Poren des Papiers enthielten gefriergetrocknete elektrische Bakterien, die als Nebenprodukt der Atmung Elektronen exportieren konnten. Um die elektrische Leistung weiter zu verbessern, hat das Team eine biologisch abbaubare Polymermischung in das Papier eingearbeitet. Diese hybriden mikrobiellen Brennstoffzellen aus Papier und Polymer weisen ein verbessertes Strom-Kosten-Verhältnis auf und sind etwa vier Wochen haltbar, ohne dass zusätzliche Konditionierung oder Mikroorganismen erforderlich sind. Die Technologie wird derzeit zum Patent angemeldet und das Team sucht nach industriellen Investitionen für die Kommerzialisierung. Weitere Verbesserungen bei der Designoptimierung könnten eine größere Vielseitigkeit bei der Verwendung dieser Batterien für zahlreiche andere Anwendungen bieten.

Forscher nutzten Bakterien, um diese Papierbatterien mit Strom zu versorgen. Seokheun Choi

Mg-basierte Batterien könnten aufgrund einer höheren Energiedichtekapazität theoretisch mit Li-Ionen konkurrieren. Allerdings sind Mg-basierte Batterien nicht wiederaufladbar, da die reversible Reaktion einen korrosiven Elektrolyten erfordert, der eine Barriere für Mg2+-Ionen bildet.

Zum ersten Mal präsentierten Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des Energieministeriums einen Prototyp einer wiederaufladbaren Batterie auf Mg-Basis. Sie erzeugten eine künstliche Mg2+-leitende Grenzfläche auf der Mg-Anodenoberfläche. Die Schnittstelle schützt die Oberfläche der Mg-Anode und ermöglicht gleichzeitig den reversiblen Kreislauf einer Mg/V2O5-Brennstoffzelle in einem wasserhaltigen Elektrolyten auf Carbonatbasis. Die Strategie verbessert die Batterieleistung von Mg-basierten Batterien deutlich.

In einem anderen Ansatz entwickelte ein Forscherteam am MIT, Berkeley und dem Argonne National Laboratory ein Festkörpermaterial, das Mg-Ionen schneller leitet, insbesondere im ternären Spinell-Chalkogenid-Gerüst. Dieses Batteriedesign erfordert weitere Tests und Forschung, um in die Kommerzialisierungsphase zu gelangen.

Für Solaranwendungen verwendete Batterien erfordern über die geringen Kosten hinaus mehrere Eigenschaften. Die Kapazitäts- und Leistungswerte von Solarbatterien hängen von den Energie- und Leistungsdichteeigenschaften der Batterien ab. Darüber hinaus sind Kennzahlen wie die Entladungstiefe, die Gesamtlebensdauer und die Effizienz der Batterie von entscheidender Bedeutung, um zu bestimmen, welche Chemikalien für welche spezifischen Nischen/Anwendungen funktionieren.

Kosten vs. Leistung vs. Speicherkapazität. PreScouter

Obwohl sich viele der oben vorgestellten Batterien in der frühen Entwicklungsphase befinden, könnten sie kostengünstige Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien für Solaranwendungen mit einer längeren Lebensdauer und einem großen Temperaturbereich bieten. Ni-Zn, Mg, Al-Ionen, NaS, Graphit-DIBs, KIB, Protonen- und Salzwasserbatterien könnten alle eine wichtige Rolle spielen. Diese sind recycelbar und Gegenstand umfangreicher Forschung, die untersucht, wie die Chemie ohne unerwünschte Nebenreaktionen optimiert werden kann. Daher sind sie vielversprechend für die Speicherung erneuerbarer Energien. Beispielsweise hat BlueSky Energy bereits damit begonnen, Salzwasserbatterien für die Solarspeicherung in Wohngebäuden zu verwenden, wobei die Preise mit denen von Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar sind.

Eine Liste der Batterietechnologien, die für Solaranwendungen geeignet sein könnten. PreScouter

Sofiane Boukhalfa, PhD, Projektarchitektin, PresSouter

Sofiane leitet bei PreScouter die Bereiche Hightech, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung sowie Finanzen. Sofiane erwarb seinen BS in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der University of Illinois in Urbana-Champaign und seinen Ph.D. in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am Georgia Institute of Technology, wo sich seine Forschung auf Nanotechnologie und Energiespeicherung konzentrierte. Seit seinem Abschluss an der Georgia Tech hat er als Berater für aufstrebende Technologien und Geschäftsstrategien bei mehreren Firmen und für seine eigenen Kunden gearbeitet.

Navneeta Kaul, PhD, Forscherin, PreScouter

Navneeta schloss im August 2018 ihr Studium der Biologie an der University of Denver ab. Der Schwerpunkt ihrer Forschung lag auf dem Verständnis des Mechanismus der lokalen Proteinsynthese an der Synapse, die für die Gedächtnisbildung bei Wirbeltieren wichtig ist. Sie verfügt über Erfahrung im Einsatz biochemischer und molekularbiologischer Techniken wie Klonen, PCR, Echtzeit-PCR, Western Blot, Immunpräzipitation, Lebendzell- und Festzellbildgebung. Ihr liegt die Vermittlung neuer Technologien und Forschungsfortschritte einem breiteren Publikum am Herzen.