Festkörperbatterien und ihre wichtigsten Materialien

Was ist eine Festkörperbatterie? Die herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie besteht aus vier Hauptkomponenten: positive Elektrode, negative Elektrode, Elektrolyt und Separator. Eine Festkörperbatterie ersetzt den Elektrolyten durch einen festen Elektrolyten. Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien besteht der Hauptunterschied zwischen Festkörperbatterien darin, dass der Elektrolyt von flüssig zu fest gewechselt ist, was sowohl Sicherheit als auch eine hohe Energiedichte bietet. Festkörperelektrolytbatterien sind die ultimative Form von Lithium- und Natriumbatterien, die Sicherheitsprobleme vollständig lösen können und zweifellos der Protagonist in der zweiten Hälfte des Marktes für neue Energien sind. Die Industriekette für Festkörperbatterien ähnelt in etwa der für flüssige Lithiumbatterien. Der Upstream umfasst Rohstoffe, Bergbau, Maschinen und Geräte sowie Grundmaterialien. Der Hauptunterschied zwischen den beiden liegt in den Arten der negativen Elektrodenmaterialien und Elektrolyte. Die positiven Elektrodenmaterialien sind fast gleich. Wenn es vollständig zu einer vollständigen Festkörperbatterie entwickelt wird, wird auch der Separator vollständig ersetzt. Der Midstream der Industriekette ist der Verarbeitungs- und Vorbereitungsprozess von Batteriepacks, und die Downstream-Anwendungsbereiche der Industriekette umfassen Fahrzeuge mit neuer Energie, Energiespeichersysteme, Unterhaltungselektronik usw.

Die Vorteile von Festkörperbatterien sind:

(1) Festkörperelektrolyte werden als Ersatz für flüssige Elektrolyte und Separatoren verwendet. Festkörperelektrolyte haben einen sehr hohen Zündpunkt, was die thermische Stabilität der Batterie verbessert.

(2) Die Spannungsplattform von Festkörperbatterien beträgt 5 V und ist damit höher als die 4,3 V von Flüssigbatterien. Sie kann mit Hochspannungselektrodenmaterialien mithalten und hat eine bessere Energiedichte und spezifische Kapazität als Flüssigbatterien.

(3) Festkörperelektrolyte sind nicht flüssig und es kommt daher nicht zu Leckagen. Dies vereinfacht den Aufbau des Batteriepacks, verringert Gewicht und Volumen der Batterie und verspricht eine Energiedichte von über 300 Wh/kg.

Festkörperelektrolyt

Festkörperelektrolyt ist die Kernkomponente von Festkörper-Lithiumionenbatterien, die gleichzeitig als Separator und Elektrolyt der Batterie dienen können. Die Hauptaufgabe des Elektrolyten besteht darin, Li+ zwischen den positiven und negativen Elektroden zu übertragen. Ideale Festkörperelektrolyte sollten eine hohe Ionenleitfähigkeit, eine niedrige Grenzflächenimpedanz, eine stabile Struktur, hohe Sicherheit, hohe mechanische Festigkeit und einen niedrigen Preis aufweisen. Derzeit kann man sie basierend auf verschiedenen Elektrolyten hauptsächlich in polymere Festkörperelektrolyte und anorganische Festkörperelektrolyte unterteilen. Das repräsentative System des ersteren ist PEO-Polyethylenoxid; das letztere sind die Oxid-, Sulfid- und Halogenidsysteme.

Kathodenmaterialien

Die wichtigsten Kathodenmaterialien für Festkörperbatterien sind: Lithium-Kobaltoxid, Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickel-Kobaltoxid und Lithium-Kobalt-Aluminiumoxid.

(1) Lithiumkobaltoxid: Ein häufig verwendetes Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien, das eine hohe Energiedichte und lange Lebensdauer bietet, aber Sicherheitsprobleme mit sich bringt.

(2) Lithiumeisenphosphat: Im Vergleich zu Lithiumkobaltoxid bietet Lithiumeisenphosphat eine bessere Sicherheit und eine längere Lebensdauer, aber seine Energiedichte ist geringer.

(3) Lithium-Nickel-Kobaltoxid: Hohe Energiedichte und lange Lebensdauer, aber die Materialkosten sind hoch und es gibt Sicherheitsprobleme.

(4) Lithium-Kobalt-Aluminiumoxid: Hohe Energiedichte, aber die Zyklenlebensdauer ist etwas geringer als bei Lithium-Nickel-Kobaltoxid.

(5) Kombinationen mehrerer Materialien in Festkörperelektrolyten: Beispielsweise können Lithiummanganoxid (LiMn2O4) und Lithiumtitanat (Li4Ti5O12) eine höhere Sicherheit und längere Lebensdauer bieten, die Energiedichte ist jedoch relativ gering.

Anodenmaterialien

Zu den negativen Elektrodenmaterialien für Festkörperbatterien gehören hauptsächlich drei Typen: Lithiummetall, Kohlenstoffmaterialien und Siliziummaterialien.

（1）Lithiummetall wird hauptsächlich in Festkörper-Lithiumionenbatterien und Festkörper-Lithium-Schwefel-Batterien verwendet. Festkörper-Lithiumionenbatterien sind eine Art Batterie mit hoher Energiedichte, die in Bereichen wie Elektrofahrzeugen und Drohnen eingesetzt werden kann. Festkörper-Lithium-Schwefel-Batterien hingegen sind Batterien mit hoher Energiedichte und hoher Sicherheit, die für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, beim Militär und in anderen Bereichen geeignet sind.

（2）Kohlenstoffmaterialien werden hauptsächlich in Festkörper-Lithiumionenbatterien verwendet. Kohlenstoffnanoröhren, ein weit verbreitetes Kohlenstoffmaterial, haben eine große spezifische Oberfläche und hervorragende elektrochemische Eigenschaften, wodurch sie für den Einsatz in Hochleistungs-Festkörper-Lithiumionenbatterien geeignet sind.

（3）Silizium ist ein neuartiges Material für negative Elektroden, das eine hohe spezifische Kapazität und niedrige Kosten bietet. In Festkörperbatterien kann Silizium mit Festkörperelektrolyten reagieren und Lithiumionen bilden, wodurch das Laden und Entladen der Batterie ermöglicht wird. Im Vergleich zu Lithiummetall und Kohlenstoffmaterialien hat Silizium eine höhere spezifische Kapazität, aber seine Zyklenstabilität ist relativ schlecht, und es neigt zu Volumenausdehnung und strukturellen Schäden. Siliziummaterialien werden hauptsächlich in Festkörper-Lithiumionenbatterien verwendet. Unter ihnen besitzen Silizium-Nanodrähte, ein gängiges Siliziummaterial, eine große spezifische Oberfläche und hervorragende elektrochemische Leistung, was sie für den Einsatz in Hochleistungs-Festkörper-Lithiumionenbatterien geeignet macht.

Separator

Separatormaterial ist ein wesentlicher Bestandteil von Festkörperbatterien und wird hauptsächlich verwendet, um die positiven und negativen Elektroden zu isolieren und so eine elektrische Leitung zu verhindern. Die Zusammensetzung von Separatormaterialien umfasst hauptsächlich Polymere, Pulver im Nanobereich usw. Die Forschung legt nahe, dass eine Doppelschichtbeschichtung als Alternative zu einem Separator verwendet werden kann, wobei eine anorganische Festkörperelektrolytschicht auf beiden Seiten der negativen Elektrodenschicht aufgetragen ist und eine organische Polymerschicht auf der Oberfläche der anorganischen Festkörperelektrolytschicht aufgetragen ist. Derzeit gibt es Ansichten, dass Sulfid- und Oxid-Festkörperbatterien keinen Separator benötigen. Darüber hinaus wurde in verschiedenen veröffentlichten Patenten für Festkörperbatterien das Konzept von Verbundseparatoren vorgeschlagen, beispielsweise anorganisch-organische Verbundseparatoren.

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