Lithium-Ionen-Batterien sind defekt und müssen aktualisiert werden

Ob Sie es glauben oder nicht, das Smartphone, das Sie in der Hand halten, war leistungsfähiger als das Computernetzwerk der NASA, mit dem 1969 Menschen auf die Mondoberfläche gebracht wurden. Mit Ihrem Smartphone können Sie auch Anrufe tätigen und Nachrichten senden andere erstaunliche Funktionen wie das Spielen von Spielen und das Abspielen von Videos Imaging, Broadcasting und andere Funktionen, die wir nicht vollständig auflisten können, aber alle Funktionen, die Sie über ein Smartphone erhalten, können verblassen und das Gerät wird unbrauchbar, wenn es keinen leistungsstarken und wiederaufladbaren Akku hat Das kann lange dauern, aber die verwendete Technologie ist immer noch defekt und muss weiterentwickelt werden.

Lithium-Ionen-Batterien

Die erste wiederaufladbare Blei-Säure-Batterie wurde 1859 von einem Physiker entwickelt Gaston PlantyUnd 1980 die Welt entwickeln John Goodnav Lithium-Kobaltoxid-Kathodenbatterie, die 1991 von Sony vermarktet und für Handybatterien verwendet wurde. Für diese Leistung erhielt Godnav im Oktober zusammen mit seinen Kollegen, den Chemikern M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino, den Nobelpreis.

Lithium-Ionen-Batterien kombinieren die Lithiumoxid-Kathode (positive Elektrode) mit der Anode (negative Elektrode) und dem als Leiter verwendeten Elektrolyten (Separator). Wenn die Batterie geladen und entladen wird, bewegen sich die Ionen zwischen den Elektroden und erzeugen Energie, die Der Akku kann dann verwenden.

Nur fünf Unternehmen in Japan, China und Südkorea produzieren 62% der weltweiten Lithium-Ionen-Batterien. Die Nachfrage ist seit 2015 dramatisch gestiegen, als China begann, die heimische Produktion von Elektrofahrzeugen aggressiv voranzutreiben und den Absatz von Smartphones, Tablets und Laptops weltweit weiter zu steigern .

China stellt derzeit 60% der Elektrofahrzeuge weltweit her und versucht, die Kontrolle über Lithium zu sichern, das ein reichlich vorhandenes natürliches Mineral im Salzwasser ist und hauptsächlich in Südamerika, insbesondere in Bolivien, Chile und Argentinien, hergestellt wird.

Das chinesische Unternehmen Tianqi Lithium zahlte im vergangenen Jahr 4 Milliarden US-Dollar für eine Beteiligung an dem chilenischen Bergbauunternehmen Sociedad Química y Minera, wodurch es die Kontrolle über die Hälfte der weltweiten Lithiumproduktion hat. Die Branche, auf die sich Tianqi konzentriert, ist der Lithium-Ionen-Batteriemarkt Laut dem Marktforschungsunternehmen Global Market Insights wird die Größe voraussichtlich von 33 Milliarden US-Dollar im Jahr 2018 auf über 73 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 steigen.

Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium (Weißgold genannt) ist im Vergleich zu anderen Elementen ein chemisch aktives Element. In Südamerika, das den größten Teil des Lithiums der Welt produziert, wird Weißgold aus Salzoberflächen gewonnen, die verwendete Methode ist jedoch in einem Fall sehr wasseraufwendig Ein weiteres Mineral, das für die Herstellung von Batterien benötigt wird, kommt fast ausschließlich in der Demokratischen Republik Kongo vor und wird durch unsichere Praktiken abgebaut, einschließlich des Einsatzes von Kindern als Arbeitskräfte Kobalt extrahieren.

Darüber hinaus sind Lithium-Ionen-Batterien derzeit zu teuer, um recycelt zu werden, was bedeutet, dass sie häufig auf Mülldeponien landen. Die Amerikaner entsorgen jedes Jahr rund zwei Milliarden Lithium-Ionen-Batterien. Es gibt jedoch Projekte in Schweden und Japan, die begonnen haben Recyceln Sie Batterien für Elektrofahrzeuge, die auch nach vielen Jahren noch 70% ihrer Ladung behalten können.

Trotz der schnell steigenden Nachfrage nach ihnen weisen Lithium-Ionen-Batterien andere Nachteile auf, wie z. B. Sicherheitsprobleme und Umweltschäden, da Lithium-Ionen ein inhärent instabiles Material ist und daher explodieren kann, wenn es beschädigt oder hoher Hitze ausgesetzt wird. 195 Brände und Explosionen zwischen 2009 und 2017, einschließlich bemerkenswerter Probleme, mit denen das Samsung Galaxy Note 7 im Jahr 2016 konfrontiert war.

Alternativlösungen

Einige Forscher und Technologen versuchen bisher, diese Herausforderungen und Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien anzugehen, während andere am langsamen Evolutionsprozess arbeiten, um eine Alternative zu Lithium-Ionen zu finden, da derzeit Ammoniak, Magnesium und Natrium entwickelt werden und sie alle haben ihre Nachteile, einschließlich geringer Energierückhaltung und Materialflüchtigkeit.

„Es gibt zwei Primärbatterietechnologien, die die erstaunlichen Fähigkeiten der Elektroautobranche im nächsten Jahrzehnt demonstrieren“, sagt Jarvis Toe, Executive Vice President für Marketing und Produkte bei Enevate Corporation, einem Lithium-Ionen-Batterieunternehmen mit Sitz in Irvine, Kalifornien. Es ist ein Wirkstoff, der Lithium speichern kann und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Eine weitere wichtige Entwicklung ist die Reduzierung oder Eliminierung von Kobalt, die derzeit 20% der Kosten der in einer normalen Lithium-Ionen-Batterie verwendeten Materialien ausmacht. Der Preis für Kobalt ist von 20 USD pro Tonne im Jahr 2016 auf etwa USD gestiegen 80 heute, daher ist das Entfernen von Kobalt der Schlüssel zur Kostensenkung. Lithium-Ionen-Batterien, weshalb Panasonic und Tesla daran arbeiten, das Kobalt aus ihren Batterien zu entfernen.

"Kobaltarme oder kobaltfreie Kathodentechnologien können dazu beitragen, die Kosten für EV-Batterien weiter zu senken, um erschwingliche, zertifizierte EVs schneller zu erhalten, da Kathoden auch heute noch die teuerste Komponente in einer Lithium-Ionen-Zelle sind und die Anodentechnologien, die dominiert das Silizium bietet sehr schnelle Ladefähigkeiten zusammen mit hohen Energiedichten und Sicherheitsmerkmalen. “

Forscherteams haben erfolgreich die Verwendung von Magnesiumchromoxidelektroden und Goldnanodrähten untersucht, um das Kobalt zu ersetzen, aus dem Kathoden normalerweise bestehen, sowie "nachfüllbare" Batterien, mit denen Elektrolyte nachgefüllt werden können. Ein zukünftiges Kraftwerk am Straßenrand könnte Ihr Elektrofahrzeug auffüllen ein neuer Elektrolyt bei Bedarf, der die Reichweitenbedenken beseitigt, die derzeit ein Hauptproblem für Fahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterien darstellen.

Bill Ray, verantwortlich für den Halbleiter- und Elektroniksektor beim Marktforschungsunternehmen Gartner, sagt, dass Kupferschäumen Lithiumionen in weniger als fünf Jahren ersetzen kann und nahe an der Produktion und mit einer größeren Anode ist, was bedeutet, dass es sehr aufgeladen werden kann schnell. Natürlich, was die Verbraucher wollen. “

Mehrere Unternehmen, darunter Ford, entwickeln Festkörperbatterien, bei denen ein Flüssigelektrolytabscheider durch einen Feststoff ersetzt wird. Eine Reihe potenzieller Materialien wird untersucht, darunter neue kristalline Materialien, polykristallines LTPS-Silizium und der superionische Lithiumhydridleiter. Und der keramische Elektrolyt.

Zukünftige Technologien

Die Verwendung von Feststoffen kann zu einer Batterie mit höherer Kapazität führen und gleichzeitig die Brand- oder Explosionsgefahr verringern, obwohl diese Materialien weit von der normalen Produktion entfernt sind. Die Eidgenössischen Laboratorien für Materialwissenschaft und -technologie und die Universität Genf haben ebenfalls einen neuen Batterieprototyp erstellt Dieser Akku ist in vollem Umfang effizienter als Lithium-Ionen-Akkus, verfügt über größere Fähigkeiten und bietet ein hohes Maß an Sicherheit.

"Wenn Sie zuverlässiges kabelloses Laden über ein Messgerät beherrschen, wird die Batterietechnologie selbst viel weniger wichtig." „Obwohl erste Versuche mit Festkörperbatteriesystemen im Gange sind, weist die Festkörpertechnologie derzeit technologische und preisliche Nachteile auf“, sagt Sven Schulz, CEO des deutschen Unternehmens AKASOL für Hochleistungsbatterien.

Er geht davon aus, dass Festkörperbatterien bis 2030 auf den Markt kommen werden, glaubt jedoch, dass Lithium-Ionen-Batterien mindestens die nächsten zehn Jahre die beste Option bleiben werden, da die Entwicklung der Lithium-Ionen-Technologie zwar kein revolutionärer Prozess ist, dies aber ist Schritt für Schritt um 2% bis 5% verbessern.% pro Jahr. Die Einhaltung dieser Technologie bis zur Einführung einer neuen experimentellen Technologie ist das Richtige.

Langfristig sehen einige Experten die Zukunft der Batterieleistung völlig anders. Laut Ray ist das kabellose oder Indoor-Induktionsladen über ein Kissen in einer Garage, einer Straße oder einem Stadtparkplatz an der Tagesordnung.

"Im Moment ist das kabellose Laden nicht wirklich besser als das Laden mit einem Kabel. Wenn Sie ein zuverlässiges kabelloses Laden über einen Meter beherrschen, wird die Batterietechnologie selbst viel weniger wichtig. Ihr Gerät ist ständig auf das Laden angewiesen."

Einige in der Energiewirtschaft prognostizieren, dass inländische Energiespeicher wie die Powerwall von Tesla zum Standard werden, da die Geräte wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien enthalten, die 13.5 Kilowattstunden Strom speichern können, genug, um ein mittelgroßes Haus für einen Tag mit Strom zu versorgen Die Nachfrage wächst, da mehr Häuser mit Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen ausgestattet sind und Sie diese Energie speichern müssen.

Schließlich wird mit zunehmender Abhängigkeit von verschiedenen Batterietypen der kommerzielle Anreiz zunehmen, neue, zuverlässigere und effektivere Lösungen zu erforschen. Dazu müssen wir mehr Erfahrung in Chemie, Physik, Ingenieurwesen und Materialwissenschaften sammeln, um uns zusammenzuschließen und es ist entscheidend, dass wir eine massive Welle der Zusammenarbeit haben, die sich den Herausforderungen stellt. Entwicklung neuer Batterietechnologien.

Quelle:

mittlere