Ob es sich nun um den Materialbereich in der Mitte der Festkörperbatterien oder um die nachgelagerten Bereiche Verbrauch, Leistung und Energiespeicherung handelt, die technologische Entwicklung und die Unternehmensstruktur der Festkörperbatterien drücken derzeit auf die Beschleunigungstaste. Die technologischen Durchbrüche kommen zur richtigen Zeit, und Festkörper-Lithiumbatterien haben eine glänzende Zukunft.
1. Was ist eine Festkörperbatterie?
Alle Festkörperbatterien verwenden feste Elektrolyte, die den Elektrolyten, das Elektrolytsalz und den Separator in herkömmlichen Lithiumbatterien ersetzen. Aufgrund der Eigenschaften von Festkörperelektrolyten, die nicht entflammbar, nicht korrosiv, nicht flüchtig und nicht auslaufend sind, wird erwartet, dass alle Festkörperbatterien die Sicherheitsprobleme von Batterien vollständig lösen werden.
Gleichzeitig kann das Potenzial zwischen der positiven und der negativen Elektrode aller Festkörperbatterien mehr als 5 V erreichen, was höher ist als bei herkömmlichen Lithiumbatterien (4,2 V), so dass positive Elektrodenmaterialien mit hohem Energiegehalt und metallisches Lithium als negatives Elektrodenmaterial mit einer theoretischen Energiedichte von bis zu 700 kWh/Kg verwendet werden können.
Als Kernbestandteil aller Festkörperbatterien bestimmen die Festkörperelektrolyte weitgehend die Energiedichte, Leistungsdichte, Zyklenstabilität, Sicherheitsleistung und Lebensdauer der Batterie. Je nach Elektrolytmaterial lassen sich die gängigen Festelektrolyte in drei Hauptsysteme unterteilen: Polymere, Oxide und Sulfide.
2. Was ist eine Festkörper-Lithium-Batterie?
Festkörperbatterien sind Lithiumbatterien, die anstelle von herkömmlichen Elektrolyten feste Elektrolyte verwenden. Sie können je nach Menge des Festelektrolyts in halbfeste Batterien und Feststoffbatterien unterteilt werden. Normalerweise verwenden wir 10% Flüssigkeitsgehalt in der Batterie als Trennlinie, um zwischen halbfesten Batterien und Flüssigbatterien zu unterscheiden, während alle Festkörperbatterien vollständig feste Elektrolyte verwenden und der Flüssigkeitsgehalt auf 0% reduziert wird.
Die Energiedichte von Lithium-Batterien und thermische Stabilität von Festkörperbatterien sind deutlich besser als bei flüssigen Lithium-Ionen-Batterien, und sie haben langfristige kommerzielle Aussichten.
Festkörper-Lithiumbatterien bestehen hauptsächlich aus positiven und negativen Elektroden sowie festen Elektrolyten. Die Vorteile von Festkörperbatterien im Vergleich zu Flüssiglithiumbatterien sind:
- Verwenden Sie Festelektrolyt anstelle von flüssigem Elektrolyt und Separator. Der Festelektrolyt hat einen sehr hohen Entzündungspunkt und verbessert die thermische Stabilität der Batterie;
- Die Spannungsplattform von Festkörperbatterien beträgt 5 V, was höher ist als die 4,3 V von Flüssigbatterien. Sie kann mit Hochspannungselektrodenmaterialien kombiniert werden, und die Energiedichte und die spezifische Kapazität der Batterie sind besser als bei Flüssigbatterien;
- Der Festelektrolyt ist nicht flüssig, so dass es keine Leckagen gibt. Dies vereinfacht die Lithium-Ionen-Akkupack und Auslegung von BatteriespeichersystemenDadurch werden Gewicht und Volumen der Batterie reduziert, und die Energiedichte wird voraussichtlich 300Wh/kg übersteigen.
3. Verfahren zur Herstellung von Festkörper-Lithiumbatterien
Schnittstellenprobleme, schwierige Verarbeitungstechniken und hohe Produktionskosten behindern die industrielle Entwicklung von Sulfid-Festkörperbatterien. Es wird erwartet, dass nicht alle Festkörperbatterien in 5 bis 10 Jahren auf den Markt kommen werden.
- Festkörperbatterien haben Probleme mit dem Festkörperkontakt, dem großen Innenwiderstand und der schlechten Zyklen- und Ratenleistung.
- Die Verarbeitungstechnologie ist schwierig: Der Sulfid-Feststoffelektrolyt stellt strenge Anforderungen an die Produktionsumgebung und muss von Wasser und Sauerstoff isoliert werden. Außerdem sind Schichtabscheidungen und andere Produktionsverfahren erforderlich, die sich völlig von den bestehenden Flüssiglithiumbatterien unterscheiden. Die Technologie für die Massenproduktion in großem Maßstab ist noch nicht gelöst.
- Hohe Produktionskosten: Nach Angaben des International New Energy Network belaufen sich die Produktionskosten für Festkörperbatterien auf mehr als 50%, während die Produktionskosten für Flüssig-Lithium-Ionen-Batterien nur 20% 30% betragen.
4. Anwendung von Festkörper-Lithiumbatterien zur Energiespeicherung
Gegenwärtig ist die Nachfrage nach elektrochemischen Energiespeichern auf der Nutzerseite groß, Speicherung erneuerbarer Energien verbundene Unterstützung, Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher und anderen Bereichen wird ein rasches Wachstum erwartet, und die Entwicklungsaussichten für Festkörperbatterien sind vielversprechend.
In der ersten Hälfte des Jahres 2023 wird der Gesamtumfang der netzgekoppelten Energiespeicherprojekte in China beispielsweise 7,59 GW/15,59 GWh erreichen, was in etwa dem Niveau des letzten Jahres entspricht. Unabhängige Energiespeicherung ist die Hauptanwendung. In der ersten Hälfte des Jahres 2023 erreichte der Gesamtumfang der netzgebundenen Energiespeicherprojekte in China 7,59GW/15,59GWh. Im zweiten Quartal 2023 wurden in China Energiespeicherprojekte mit einem Volumen von 6,5 GW/14,2 GWh ausgeschrieben, +165%/+191% im Vergleich zum Vorjahr.
Davon entfallen 5,2 GW/10,8 GWh auf die unabhängige Energiespeicherung (+284%/+301% im Vergleich zum Vorjahr) und 1,3 GW/3,2 GWh auf die Energiespeicherung auf der neuen Energieseite (+17%/+52% im Vergleich zum Vorjahr). Darüber hinaus erreichte die in der Rahmenbeschaffung fertiggestellte Energiespeicherkapazität 7,7 GWh.
Alle Festkörperbatterien gelten als eine der aufstrebenden Technologierichtungen, von denen erwartet wird, dass sie den Engpass der elektrochemischen Energiespeichertechnologie durchbrechen und den künftigen Entwicklungsbedarf decken.
Derzeit ist Lithium-Eisen-Phosphat immer noch die dominierende Technologie, und die unabhängige Energiespeicherung ist die Hauptanwendung. Im Jahr 2023H1 machte die unabhängige Energiespeicherung 64% des netzgebundenen Umfangs aus. In Bezug auf die Energiespeichertechnologie sind Lithium-Eisenphosphat-Batterien immer noch die dominierende Energiespeichertechnologie.
Obwohl an verschiedenen Orten mit der Planung von Demonstrationsprojekten für Langzeit-Energiespeichertechnologien wie Durchflussbatterien und Druckluft begonnen wurde, befinden sich die genannten Projekte aufgrund von Faktoren wie technisches Niveau, Kosten und Produktionskapazität noch in einem frühen Stadium der Planung und des Baus.
Was die Projektanwendung betrifft, so belief sich der Umfang der netzgekoppelten Projekte zur unabhängigen Energiespeicherung auf 64% im Jahr 2023H1.
5. Festkörper-Lithium-Batterie-Industriekette
Die Industriekette der Festkörperbatterien ähnelt in etwa derjenigen der Flüssiglithiumbatterien. Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, dass die Materialien der negativen Elektroden und die Elektrolyte im mittleren und oberen Bereich unterschiedlich sind. Die positive Elektrode ist fast identisch.
Wenn sie vollständig zu einer Festkörperbatterie weiterentwickelt ist, wird auch der Separator vollständig ersetzt werden. Nachgelagerte Anwendungsbereiche sind vor allem aufstrebende Bereiche wie die Unterhaltungselektronik, Fahrzeuge mit neuer Energie und modulare Energiespeicherung.
6. Entwicklungsfragen der Festkörper-Lithium-Batterie
- Chemische/elektrochemische Grenzflächenstabilität
Aufgrund der hohen Reaktivität von Lithiummetall sind Nebenreaktionen an der Grenzfläche fast unvermeidlich, was zur Bildung verschiedener Grenzflächenphasen an der Grenzfläche führt. Insbesondere das kontinuierliche Wachstum der gemischten leitfähigen Grenzflächenphase erhöht den Grenzflächenwiderstand erheblich und verschlechtert allmählich die elektrochemische Leistung.
In diesem Zusammenhang sollte die Einführung einer stabilen Passivierungszwischenschicht zwischen metallischem Lithium und dem Festkörperelektrolyten in Erwägung gezogen werden, um die Ausbreitung der Bildung eines übermäßigen Widerstandsfilms abzuschwächen und die elektrochemischen Reaktionen in Lithium-Metall-Festkörperbatterien zu stabilisieren.
- Mikroevolution der Grenzflächenmorphologie
Der inhärente und unvollkommene Festkörperkontakt führt zu einem großen Grenzflächenwiderstand, einem Anstieg der lokalen Stromdichte und einer anschließenden ungleichmäßigen Lithiumauflösung/-abscheidung, was zu Dendritenwachstum und Kurzschlussversagen führt.
- Intrinsische Diffusivität von Lithiumatomen/Leerstellen an der Grenzfläche
Die inhärent niedrige Selbstdiffusionsrate von Lithiumionen in Lithiummetall führt zu Porosität an der Grenzfläche zwischen Lithiummetall und Festelektrolyt. Um das Problem der Lithiumionendiffusionsfähigkeit zu lösen, wird empfohlen, Lithiumlegierungsmetall einzusetzen, was teilweise erfolgreich ist. Da jedoch die Volumenänderungen bei Lithiumlegierungsreaktionen oft groß sind, ist die Langzeitstabilität fraglich.
- Defekte (Fehler/Poren)
Was Defekte in Festelektrolyten betrifft, so bieten Poren, Korngrenzen und inhärente Risse Platz für die Ansammlung und Ausbreitung von Lithiumdendriten, was zu einem Kurzschluss in der Batterie führt.
Kurzschluss", einer der häufigsten Fehler von ASLMB, kann in "harter Kurzschluss" und "weicher Kurzschluss" (auch "Soft Breakdown" genannt) unterteilt werden. Bei einem "harten Kurzschluss" fällt die Spannung während des Ladens stark ab und die Batterie kann sich nicht erholen.
Dies ist das häufigste Kurzschlussphänomen. Im Gegensatz dazu wird bei ASLMB häufig das Phänomen des "weichen Kurzschlusses" beobachtet. Die Batteriespannung bleibt dynamisch stabil, steigt aber während des Ladevorgangs nicht an. Die Batterie kann sich auch von einem Kurzschluss erholen. Das Auftreten und die Entwicklung von weichen Kurzschlüssen sind jedoch derzeit unbekannt. Der Mechanismus der Beeinflussung bleibt unklar.
- Die nicht zu vernachlässigende elektronische Leitfähigkeit von Festelektrolyten
Die elektronische Leitfähigkeit von Festkörperelektrolyten wurde kürzlich als Ursache für die Bildung von Lithiumkeimen in Festkörperelektrolyten genannt, die zu einem vorzeitigen Kurzschluss von Batterien führen. Zusätzliche elektronische Isolierschichten werden häufig verwendet, um den Elektronenverlust in Festkörperelektrolyten zu verringern.
Um die elektronische Leitfähigkeit von Festkörperelektrolyten wirksam zu steuern, sind jedoch umfassendere Ansätze erforderlich, wie z. B. feine Beschichtungen auf Festkörperelektrolyten im Granulatmaßstab oder Korngrenzentechnik in Verbindung mit der Einführung elektronischer Isoliermedien.
7. Zusammenfassung
Unter dem Gesichtspunkt der Energiedichte ist festes Lithiummetall zweifellos ein hervorragendes negatives Elektrodenmaterial für Batterien, aber es gibt noch viele Probleme bei der Verwendung von metallischem Lithium.
Um die Kommerzialisierung der Festkörper-Lithiumbatterie zu erreichen, forschen die Forscher weiter, u. a. an der Verwendung von Lithium-Metall-Verbundwerkstoffen anstelle von metallischem Lithium, der Suche nach geeigneten Elektrolytmaterialien, Zusatzstoffen oder mechanischen Verfahren.
Obwohl es bei der Entwicklung von Festkörper-Lithiumbatterien viele Schwierigkeiten gibt, haben viele Forscher angesichts der steigenden Nachfrage nach Batterien mit hoher spezifischer Energie versucht, die Probleme zu überwinden. Diese neuen Erkenntnisse und Methoden haben die Sicherheit und die Zyklusleistung der Festkörper-Lithiumbatterie erheblich verbessert und den Prozess der Kommerzialisierung der Festkörper-Lithiumbatterie gefördert.
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