Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Batterietechnologie

Jul 31, 2023

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Seit den frühesten Entdeckungen der Elektrizität haben sich Batterien zum Rückgrat der modernen Technologie entwickelt, und auch heute noch entstehen innovative Innovationen. Batterien haben die Elektrifizierung der Welt ermöglicht, Industrien revolutioniert und technologisches Potenzial freigesetzt.

Aber was sind sie und wie funktionieren sie? Wie haben sie sich im Laufe der Geschichte verändert? Wie werden sie in Zukunft sein? Lass uns einen Blick darauf werfen.

Einfach ausgedrückt wäre die moderne Welt, wie wir sie kennen, ohne Batterien nicht möglich. Von lebenserhaltenden Geräten wie Herzschrittmachern bis hin zu Mobiltelefonen: Batterien versorgen die vielen tragbaren elektronischen Geräte rund um Sie mit Strom.

Sie haben in den letzten Jahrzehnten auch in Elektrofahrzeugen Anwendung gefunden und werden als „Wunderwaffe“ für die Zukunft erneuerbarer Energiespeichersysteme angepriesen. Sie stellen eine bequeme und tragbare Quelle elektrischer Energie dar, die es uns ermöglicht, in Verbindung zu bleiben, effizient zu arbeiten und durch die Aufladung mit erneuerbarer Energie eine nachhaltigere Zukunft zu ermöglichen.

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Ihr Nutzen ergibt sich aus ihrer Fähigkeit, elektrische Energie bei Bedarf zu speichern und bereitzustellen. Dies ermöglicht uns den Einsatz von Geräten und Anlagen auch an Orten ohne dauerhafte Stromversorgung. Darüber hinaus sind Batterien für den netzunabhängigen Einsatz von entscheidender Bedeutung, da sie die Stromversorgung abgelegener Gebiete ermöglichen. Sie sind bei der Katastrophenhilfe von entscheidender Bedeutung, da sie alternative Energiequellen für wichtige Einrichtungen wie Krankenhäuser, Kommunikationssysteme und Notbeleuchtung bereitstellen.

Innovationen in der Batterietechnologie treiben den Fortschritt in verschiedenen Branchen voran. Experten sind ständig bestrebt, die Batterieleistung zu verbessern, indem sie die Energiedichte erhöhen, die Ladezeit verkürzen und die Gesamtlebensdauer verlängern. Die in diesem Bereich erzielten Fortschritte bringen zahlreiche Vorteile mit sich, wie z. B. die Verbesserung elektronischer Geräte für Kunden, die Erleichterung von Elektroautos und die Einbindung erneuerbarer Energiequellen in das Stromnetz.

Vor der Erfindung „echter“ Batterien Mitte des 18. Jahrhunderts verwendeten Experimentatoren „Leydener Gefäße“ zur Speicherung elektrischer Ladung. Bei diesen Gläsern handelte es sich um eine frühe Version von Kondensatoren, die im Gegensatz zu elektrochemischen Zellen ihre Ladung physisch speicherten und auf einmal wieder abgaben. Um die Stärke der Ladung zu erhöhen, verbanden die Experimentatoren viele Gläser miteinander.

Einer dieser Experimentatoren war Benjamin Franklin, ein Erfinder aus dem kolonialen Amerika, der möglicherweise den Begriff „elektrische Batterie“ zur Beschreibung seiner Geräte geprägt hat – eine Anspielung auf den militärischen Begriff für zusammenarbeitende Waffen.

Allerdings würde es noch einige Jahre dauern, bis sich echte Batterietechnologie durchsetzen würde. Im späten 18. Jahrhundert führten Luigi Galvani und Alessandro Volta Experimente mit „Voltaic Piles“ durch, die allgemein als die erste anerkannte Batterie gelten. Diese wurden aus abwechselnden Schichten von Zink- und Kupferscheiben mit Schichten aus mit Salzlösung getränktem Karton hergestellt, wodurch ein kontinuierlicher Stromfluss erzeugt wurde. Voltas Erfindung ebnete den Weg für die Entwicklung von Batterien, die elektrische Energie speichern und liefern konnten.

Im frühen 19. Jahrhundert entwickelte John Frederic Daniell eine innovative Batterie namens „Daniell-Zelle“. Diese Batterie verwendete separate Elektrolytlösungen mit Kupfer- und Zinkelektroden, wodurch der Innenwiderstand deutlich reduziert, die Stabilität verbessert und die Effizienz gesteigert wurde. Es erwies sich als zuverlässige Energiequelle für Telegrafennetze und ermöglichte die Kommunikation über große Entfernungen.

Im Jahr 1859 schuf Gaston Planté eine bahnbrechende Erfindung in der Geschichte der Batterien – die heute allgegenwärtige Blei-Säure-Batterie. Als erste wiederaufladbare Batterie der Welt wurden Blei- und Bleidioxid-Elektroden verwendet, die in einen Schwefelsäureelektrolyten getaucht waren. Diese Erfindung war revolutionär in der Energiespeicherung und öffnete Türen für den umfassenden Einsatz von Batterien in verschiedenen Bereichen. Dazu gehörten sowohl frühe Elektrofahrzeuge als auch stationäre Stromversorgungssysteme.

Zwischen dem späten 19. und dem frühen 20. Jahrhundert wurden große Fortschritte in der Entwicklung der Batterietechnologie gemacht. Die Nickel-Eisen-Batterie von Thomas Edison erwies sich als langlebiger und langlebiger als Blei-Säure-Batterien. Trotzdem konnte er mit dem Aufkommen von Verbrennungsmotoren in der Automobilindustrie nicht Schritt halten, was zu einer eingeschränkten Nutzung führte.

Mitte des 20. Jahrhunderts bestand ein wachsender Bedarf an kompakten und zuverlässigen Batterien für die Stromversorgung neuer elektronischer Geräte. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, entwickelte Lewis Urry die Alkalibatterie, die später von der Eveready Battery Company als weit verbreitete Alkali-Mangandioxid-Batterie eingeführt wurde.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts stellten Lithiumbatterien einen großen Wandel in der tragbaren Energietechnologie dar. Die Kommerzialisierung von Lithium-Ionen-Akkus durch Sony Anfang der 1990er Jahre ermöglichte eine höhere Energiedichte, ein geringeres Gewicht und eine längere Lebensdauer als frühere Akkumodelle. Diese technologischen Verbesserungen führten zu einem weit verbreiteten Einsatz tragbarer Elektronikgeräte, darunter Smartphones, Laptops und Digitalkameras.

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In jüngster Zeit liegt der Fokus erneut auf der Erforschung und Entwicklung der Batterietechnologie. Dies ist vor allem auf den wachsenden Bedarf an nachhaltigen Formen der Energiespeicherung für Elektrofahrzeuge und andere erneuerbare Energiequellen zurückzuführen. Bei Lithium-Ionen-Batterien wurden erhebliche Fortschritte in den Herstellungsprozessen und bei der Verwendung neuer Materialien erzielt, was zu höheren Energiedichten und schnelleren Lademöglichkeiten führte.

Darüber hinaus wird derzeit an alternativen Batteriechemien wie Festkörper- und Lithium-Schwefel-Batterien geforscht, die vielversprechendes Potenzial für weitere Weiterentwicklungen in der Zukunft bieten. Diese Technologien zielen darauf ab, bestehende Einschränkungen aktueller Batteriesysteme zu überwinden, einschließlich Probleme im Zusammenhang mit Energiedichte, Sicherheit und Umweltauswirkungen. Aber dazu später mehr.

Wie Sie sicher wissen, gibt es Batterietechnologie in verschiedenen Formen. Allerdings ist es zunächst wichtig, zwischen den beiden Hauptkategorien von Batterien zu unterscheiden. Dies sind die sogenannten „Primär-“ und „Sekundär“-Batterien.

Was sind Primärbatterien?

Eine Primärbatterie ist eine einfache und praktische Stromquelle für tragbare Geräte wie Lampen, Kameras, Uhren, Spielzeug und Radios. Sie können jedoch nicht wieder aufgeladen werden und müssen nach Gebrauch entsorgt werden. Kurz gesagt, diese Batterien können nur entladen werden, wenn sie „eingeschaltet“ sind, und können nicht wieder aufgeladen werden.

Primärbatterien sind kostengünstig, leicht und erfordern wenig Wartung. Sie werden hauptsächlich in Haushaltsgeräten verwendet und bestehen typischerweise aus einer einzelnen zylindrischen Zelle, können jedoch in verschiedenen Formen und Größen hergestellt werden. Dazu gehören ältere Batterien wie Alkali-, Zink-Kohlenstoff- und quecksilberhaltige Batterien.

Was sind Sekundärbatterien?

Eine Sekundärbatterie, auch Akku genannt, kann nach der Entladung elektrisch wieder aufgeladen werden. Indem ein Strom entgegen der Entladungsrichtung durch die Zellen geleitet wird, können die elektrochemischen Zellen in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden.

Sekundärbatterien können auf zwei Arten verwendet werden:

Sekundärbatterien haben eine geringere Energiedichte, bieten aber eine hohe Leistungsdichte, flache Entladekurven, hohe Entladeraten und eine gute Leistung bei niedrigen Temperaturen.

Es gibt viele Arten von Sekundärbatterien, aber zu den fünf häufigsten gehören unter anderem:

Wir werden diese im nächsten Abschnitt ausführlicher besprechen.

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Lithiumbatterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte häufig verwendet und speichern mehr Energie als Alkalibatterien und andere Zelltypen. Wie die meisten Batterien sind sie leicht und ideal für den intensiven Gebrauch. Sie neigen auch dazu, bei extremen Temperaturen gut zu funktionieren und haben eine Haltbarkeitsdauer von etwa einem Jahrzehnt. Sie sind jedoch potenziell leicht entflammbar und müssen am Ende ihrer Lebensdauer fachgerecht entsorgt werden.

Lithiumbatterien haben eine höhere Nennleistung in Milliamperestunden (mAh) als andere nicht wiederaufladbare Batterien und sind in den Größen AA, AAA und 9 V erhältlich. Mit einer Kapazität von 2.700 bis über 3.400 mAh kann eine einzelne AA-Lithiumbatterie auch bei starker Beanspruchung lange halten. Andere Typen, insbesondere Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion), sind ebenfalls wiederaufladbar.

Li-Ionen-Akkus haben eine extrem hohe Energiedichte und erfordern keine regelmäßige Wartung. Aufgrund der Explosionsgefahr beim Laden mit einem normalen Gerät sind sie jedoch nicht in Verbrauchergrößen erhältlich. Stattdessen ist ein spezielles Lithium-Ionen-Ladegerät erforderlich.

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Blei-Säure-Batterien sind die am weitesten verbreiteten wiederaufladbaren Batterien und seit über einem Jahrhundert ein erfolgreiches Produkt. Sie sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, von kleinen versiegelten Zellen mit einer Kapazität von 1 Ah bis hin zu großen Zellen mit einer Kapazität von 12.000 Ah.

Blei-Säure-Batterien finden vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem als Start-, Licht- und Zündbatterien (SLI) für die Automobilindustrie, Energiespeicher, Notstromversorgung, Elektro- und Hybridfahrzeuge, Kommunikationssysteme und Notbeleuchtungssysteme.

Das breite Anwendungsspektrum von Blei-Säure-Batterien ist auf ihre großen Spannungsbereiche, verschiedene Formen und Größen, niedrige Kosten und einfache Wartung zurückzuführen.

Blei-Säure-Batterien sind im Vergleich zu anderen Sekundärbatterietechnologien die kostengünstigste Option und bieten eine hervorragende Leistung. Der elektrische Wirkungsgrad von Blei-Säure-Batterien liegt typischerweise zwischen 75 % und 80 %, wodurch sie sich als Backup für die Energiespeicherung (unterbrechungsfreie Stromversorgung – USV) und Elektrofahrzeuge eignen.

NiCd-Batterien, Nickel-Cadmium, werden häufig in Spielzeugen, Digitalkameras, Taschenlampen und anderen Geräten mit hohem Stromverbrauch wie Bohrmaschinen verwendet. Sie sind in den Standardgrößen AA, AAA, C und 9 V erhältlich. Im Gegensatz zu Alkalibatterien behalten NiCd-Batterien eine konstante Spannung bei, bis sie vollständig entladen sind.

Sie sind in der Regel günstig in der Anschaffung, entladen sich schnell und können die volle Kapazität liefern. Der Nachteil besteht darin, dass sie nicht über einen langen Zeitraum lagerfähig sind und vor dem Aufladen eine vollständige Entladung erfordern. Sie enthalten außerdem giftige Metalle und müssen fachgerecht entsorgt werden.

Obwohl NiCd-Akkus eine niedrige Spannung von 1,2 V pro Zelle haben, kompensieren sie dies durch eine kraftvolle Lieferung.

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Obwohl NiMH-Akkus eine hohe Energiedichte aufweisen, sind sie möglicherweise nicht die beste Wahl für Anwendungen wie Rauchmelder, TV-Fernbedienungen oder Uhren, da sie nur etwa 500 Mal aufgeladen werden können, bevor sich ihre Lebensdauer verkürzt.

NiMH weist tendenziell ein relativ hohes Energie-Volumen-Verhältnis auf, gilt allgemein als relativ umweltfreundlich und kann die volle Kapazität liefern. Sie neigen dazu, entladen zu versenden, daher müssen sie vor dem ersten Gebrauch vollständig aufgeladen werden, und ein Überladen kann die Batteriekapazität verringern.

Diese Geräte verbrauchen nur minimale Energie und NiMH-Akkus sind am besten, wenn sie innerhalb von 30 bis 60 Tagen verwendet werden. NiMH-Akkus behalten wie NiCd-Akkus ihre volle Kapazität, bis sie nahezu vollständig entladen sind.

Eine Natrium-Ionen-Batterie ähnelt einer Lithium-Ionen-Batterie, verwendet jedoch Natriumionen (Na+) als Ladungsträger anstelle von Lithiumionen (Li+). Die Funktionsprinzipien und der Zellaufbau sind nahezu identisch, es werden jedoch Natriumverbindungen anstelle von Lithium verwendet.

Natrium-Ionen-Batterien erweisen sich aufgrund ihrer geringeren Kosten, höheren Verfügbarkeit und geringeren Umweltbelastung als potenzielle Alternative zur Lithium-Ionen-Technologie. Sie verwenden billiges und reichlich vorhandenes Natrium und Aluminium anstelle von Lithium und Kupfer.

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Batterien bestehen aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten, wobei ein Separator den Kontakt verhindert. Zur Aufbewahrung und Sicherheit sind sie in der Regel auch ummantelt. Sowohl die Anode als auch die Kathode sind Elektrodentypen. Elektroden sind Leiter, durch die Elektrizität in eine Komponente in einem Stromkreis eindringt oder diese verlässt.

1. Anode

Elektronen fließen in einem Stromkreis aus der Anode, wenn konventioneller Strom hineinfließt. In einer Batterie entstehen durch eine Anoden- und Elektrolytreaktion Elektronen, die zur Kathode wandern wollen, aber den Elektrolyten oder Separator nicht passieren können, bis der Stromkreis geschlossen ist.

2. Kathode

Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis in einem Gerät in die Kathode. In Batterien findet an der Kathode eine chemische Reaktion mit den in der Anode erzeugten Elektronen statt.

3. Elektrolyt

Der Elektrolyt ist eine Substanz, die Ionen zwischen Anode und Kathode transportiert und gleichzeitig den Elektronenfluss hemmt, sodass diese stattdessen problemlos den externen Stromkreis passieren können.

Der Elektrolyt ist für die Funktion einer Batterie unerlässlich. Da Elektronen es nicht passieren können, wandern sie durch elektrische Leiter in einem Stromkreis, der die Anode mit der Kathode verbindet.

4. Trennzeichen

Separatoren verhindern, dass sich Anode und Kathode berühren und einen Kurzschluss verursachen. Sie können aus Baumwolle, Nylon, Polyester, Pappe oder synthetischen Polymerfolien hergestellt werden. Ionen im Elektrolyten können positiv oder negativ geladen und unterschiedlich groß sein. Spezielle Separatoren können den Ionendurchgang selektiv ermöglichen.

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5. Gehäuse

Die meisten Batterien benötigen ein Gehäuse zur Aufnahme ihrer chemischen Bestandteile. Gehäuse, auch „Gehäuse“ oder „Schalen“ genannt, sind mechanische Strukturen zur Aufnahme der internen Komponenten der Batterie. Sie können aus Kunststoff, Stahl, weichen Polymerlaminatbeuteln und anderen Materialien bestehen. Einige Batterien verwenden ein leitendes Stahlgehäuse, das elektrisch mit einer der Elektroden verbunden ist, beispielsweise mit der Kathode einer herkömmlichen AA-Alkalizelle.

Wie wir gesehen haben, sind die Hauptbestandteile einer Batterie die Anode (positive Elektrode), die Kathode (negative Elektrode) und der Elektrolyt. Aber wie arbeiten diese Teile zusammen, damit eine Batterie funktioniert?

1. Elektrochemische Reaktionen: Wie Batterien Energie erzeugen und speichern

Der Betrieb einer Batterie basiert auf Redoxreaktionen, kurz für Reduktions-Oxidations-Reaktionen. Hierbei handelt es sich um chemische Reaktionen, bei denen Elektronen von einem Molekül (oder Atom) auf ein anderes übertragen werden.

Im Zusammenhang mit einer Batterie:

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Der Elektrolyt in der Batterie ermöglicht die Bewegung von Ionen zwischen den Elektroden und verhindert gleichzeitig den direkten Elektronenfluss zwischen den Elektroden innerhalb der Batterie. Durch diese Ionenbewegung bleibt die Ladungsneutralität innerhalb der Batterie erhalten. Die Batterie erzeugt dann Energie, indem sie durch elektrochemische Reaktionen chemische Energie in elektrische Energie umwandelt.

2. Lade- und Entladevorgänge: Den Fluss von Elektronen und Ionen verstehen

Der Entladevorgang wurde oben erläutert, also die Umwandlung gespeicherter chemischer Energie in elektrische Energie. Wenn die Batterie an ein Gerät (z. B. eine Taschenlampe oder ein Smartphone) angeschlossen ist, fließen die Elektronen von der Anode durch das Gerät zur Kathode und versorgen es mit Strom.

Der Ladevorgang einer Batterie ist im Wesentlichen die Umkehrung des Entladevorgangs. Der Elektronenfluss wird umgekehrt, indem der Batterie elektrische Energie zugeführt wird, wodurch die Reduktionsreaktion an der Anode und die Oxidation an der Kathode vorangetrieben werden. Dadurch wird das chemische Potenzial in der Batterie wieder aufgefüllt und Energie gespeichert. Dieser Prozess gilt insbesondere für wiederaufladbare Batterien wie Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien.

3. Kapazität, Spannung und Energiedichte: wichtige Leistungskennzahlen von Batterien

Kapazität

Die Kapazität misst die im Akku gespeicherte Gesamtladung und wird oft in Milliamperestunden (mAh) oder Amperestunden (Ah) ausgedrückt. Die Kapazität einer Batterie gibt uns eine Vorstellung davon, wie lange eine Batterie einen bestimmten Strom liefern kann. Beispielsweise soll ein Akku mit einer Kapazität von 2000 mAh in der Lage sein, eine Stunde lang einen Strom von 2000 mA bereitzustellen.

Stromspannung

Die Spannung stellt die elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden der Batterie dar, gemessen in Volt (V). Die Spannung ist im Wesentlichen der „Druck“, der den Elektronenfluss von der Anode zur Kathode antreibt. Die Nennspannung einer Batteriezelle wird durch ihre Chemie bestimmt. Beispielsweise hat eine Lithium-Ionen-Zelle eine Nennspannung von etwa 3,6 V.

Energiedichte

Die Energiedichte misst die Energie, die eine Batterie pro Volumeneinheit speichern kann, oft ausgedrückt in Wattstunden pro Liter (Wh/L). Die Energiedichte ist ein wichtiger Indikator dafür, wie viel Energie eine Batterie im Verhältnis zu ihrer Größe oder ihrem Gewicht speichern kann. Batterien mit hoher Energiedichte sind für tragbare Geräte wie Elektrofahrzeuge und Smartphones wünschenswert, da sie mehr Energie auf weniger Raum speichern können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Batterien auf der Grundlage elektrochemischer Redoxreaktionen funktionieren, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Der Ladevorgang speichert Energie, indem er diese Reaktionen umkehrt, während der Entladevorgang Energie bereitstellt.

Bei Batterien müssen mehrere Hauptleistungsfaktoren berücksichtigt werden. Schauen wir uns die einzelnen Punkte der Reihe nach an.

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Lebensdauer

Die Zyklenlebensdauer einer Batterie ist die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen, bevor ihre Kapazität auf einen bestimmten Prozentsatz der ursprünglichen Nennkapazität (oft 80 %) abfällt. Die Zyklenlebensdauer definiert die Batterielebensdauer und wird von der Entladetiefe (DoD) beeinflusst – wie viel von der Batteriekapazität vor dem Aufladen verbraucht wird. Batterien haben eine längere Lebensdauer, wenn der DoD niedrig ist.

Energieeffizienz

Die Energieeffizienz von Batterien bezieht sich auf die Energiemenge, die einer Batterie im Verhältnis zu der beim Laden in sie eingebrachten Energiemenge entnommen wird. Ineffizienzen können durch Innenwiderstände verursacht werden, die beim Laden und Entladen zu Energieverlusten in Form von Wärme führen. Auch chemische Prozesse innerhalb der Batterie können zu einem Energieverlust führen, der möglicherweise nicht zu 100 % reversibel ist.

Selbstentladung

Wenn ein Akku nicht verwendet wird, verliert er auf natürliche Weise seine Ladung, ein Vorgang, der als Selbstentladung bezeichnet wird. Hohe Temperaturen können diese Rate verschlechtern. Verschiedene Batterien haben unterschiedliche Selbstentladungsraten, wobei Lithium-Ionen-Batterien niedrigere Werte aufweisen als Batterien auf Nickelbasis.

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Temperatureffekte

Die Temperatur kann einen erheblichen Einfluss auf die Batterieleistung und -sicherheit haben. Chemische Reaktionen innerhalb der Batterie können sich bei niedrigen Temperaturen verlangsamen, was zu einer Verringerung der Kapazität und Leistungsabgabe führt. Umgekehrt können hohe Temperaturen diese Reaktionen beschleunigen, was vorübergehend zu einer Leistungssteigerung führt, aber auch zu beschleunigter Alterung, erhöhter Selbstentladung und in schweren Fällen zu thermischem Durchgehen und Sicherheitsrisiken führt.

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Alterung und Abbau

Im Laufe der Nutzung verschlechtern sich Batterien und verlieren an Kapazität aufgrund physikalischer und chemischer Veränderungen wie der Bildung von Festelektrolyt-Interphasenschichten (SEI), Elektrolytzersetzung und mehr. Diese Faktoren werden auch von Bedingungen wie Temperatur und Laderaten beeinflusst, was ihre Lebensdauer begrenzt.

Die Optimierung von Batteriedesign und -betrieb ist entscheidend für die Verbesserung von Leistung und Lebensdauer. Wissenschaftler und Ingenieure erforschen kontinuierlich neue Materialien, Designs, Managementsysteme und Ladestrategien.

Batterien finden vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, von Unterhaltungselektronik wie Smartphones und Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen, Netzenergiespeichersystemen, Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsausrüstung sowie kritischen medizinischen Geräten. Für diese Anwendungen gelten jeweils einzigartige Anforderungen, die unterschiedliche Batterietypen und kontinuierliche technologische Fortschritte erfordern.

Schauen wir uns der Reihe nach einige der häufigsten Anwendungen an.

Unterhaltungselektronik

Unterhaltungselektronik wie Smartphones, Laptops und Wearables sind für ihre Funktion auf Batterien angewiesen. Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Wiederaufladbarkeit häufig verwendet und ermöglichen die Integration von Funktionen wie mobilem Internet, hochauflösenden Bildschirmen und anspruchsvoller Computertechnik. Diese Eigenschaften sind für moderne Technologien unverzichtbar geworden und haben die Art und Weise, wie wir mit diesen Geräten interagieren, verändert.

Elektrofahrzeuge (EVs)

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Batterien sind für einen nachhaltigen Transport von entscheidender Bedeutung und treiben alles an, von Elektroautos bis hin zu Bussen und Lastwagen. Für große Reichweiten, schnelles Laden und Beschleunigen sind hohe Energie- und Leistungsdichten erforderlich. Daher konzentriert sich die Entwicklung von Elektrofahrzeugbatterien auf Kostenreduzierung und Sicherheitsverbesserung bei gleichzeitiger Verbesserung dieser Schlüsselfunktionen.

Erneuerbare Energiespeicher (RES)

Da die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie im Energiemix weiter zunimmt, steigt die Nachfrage nach Energiespeicherlösungen, um Angebot und Nachfrage im Netz auszugleichen. Batterien können überschüssigen Strom speichern, der in Zeiten hoher erneuerbarer Energieerzeugung erzeugt wird, beispielsweise bei Sonnenschein oder Wind, und diesen Strom dann in Zeiten hoher Nachfrage oder bei geringer erneuerbarer Energieerzeugung, beispielsweise nachts oder bei ruhigem Wetter, ins Netz einspeisen. Zu diesem Zweck werden Netzenergiespeichersysteme eingesetzt, die von kleinen Systemen für Privathaushalte bis hin zu großen Batterieanlagen im Versorgungsmaßstab reichen.

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

In der Luft- und Raumfahrtindustrie sind Batterien von entscheidender Bedeutung für den Start von Flugzeugtriebwerken und die Stromversorgung elektrischer Bordsysteme. Diese Batterien werden auch in Raumfahrtanwendungen wie Satelliten und Rovern eingesetzt, wo sie von Sonnenkollektoren erzeugte Energie speichern. Darüber hinaus werden sie in Verteidigungsanwendungen zum Antrieb militärischer Ausrüstung und Fahrzeuge eingesetzt. Aufgrund der Art dieser Anwendungen müssen Batterien zuverlässig und sicher sein und unter extremen Bedingungen betrieben werden können.

Medizinische Geräte

Batterien sind für den Betrieb verschiedener medizinischer Geräte unerlässlich, darunter tragbare Geräte wie Hörgeräte und Insulinpumpen sowie größere Geräte wie Defibrillatoren. Darüber hinaus werden Batterien in implantierbaren Geräten wie Herzschrittmachern und Neurostimulatoren verwendet, die eine sehr hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit erfordern. Bei diesen Anwendungen kann sich die Batterieleistung direkt auf die Gesundheit und Sicherheit der Patienten auswirken.

Anwendungen erfordern unterschiedliche Batterien basierend auf Energiedichte, Leistung, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Kosten und Lebensdauer. Bessere Batterien können Fortschritte in allen Bereichen vorantreiben.

Da die Abhängigkeit von Batterien weiter zunimmt, werden ihre Leistung, Nachhaltigkeit und die Erforschung neuer Technologien weiterhin im Vordergrund der Forschung und Entwicklung stehen. Welche vielversprechenden Batterietechnologien sind also in der Pipeline?

Festkörperbatterien

Festkörperbatterien stellen eine vielversprechende Weiterentwicklung der Batterietechnologie dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Flüssig- oder Gelelektrolyten verwenden diese einen Festelektrolyten, Keramik, Glas oder ein festes Polymer. Diese Änderung führt möglicherweise zu mehreren Vorteilen, darunter einer höheren Energiedichte (was eine größere Reichweite für Elektrofahrzeuge oder eine längere Lebensdauer der Elektronik ermöglicht) und einer verbesserten Sicherheit, da die Festelektrolyte im Allgemeinen stabiler sind und weniger wahrscheinlich zu einem thermischen Durchgehen führen.

Trotz dieser Vorteile bleiben Herausforderungen bestehen, einschließlich der Komplexität der Herstellung und der Gewährleistung einer langen Lebensdauer. Zahlreiche Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeiten jedoch daran, diese Hürden zu überwinden und Festkörperbatterien zu kommerzialisieren.

Flow-Batterien

Flow-Batterien bieten eine einzigartige Lösung für die groß angelegte, langfristige Energiespeicherung. Diese speichern chemische Energie in externen Tanks und wandeln sie in unabhängig skalierbaren elektrochemischen Zellen in Elektrizität um. Diese Eigenschaft trennt die Energie- und Leistungskapazitäten und ermöglicht so ein flexibles Design entsprechend den Anwendungsanforderungen. Flow-Batterien haben typischerweise eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. Ihr Potenzial für eine lange Betriebslebensdauer bei minimalem Kapazitätsverlust und ihre Fähigkeit, Energie über längere Zeiträume zu entladen, machen sie jedoch für Netzspeicheranwendungen attraktiv.

Jenseits von Lithium-Ionen

Während Lithium-Ionen-Batterien derzeit den Markt für wiederaufladbare Batterien dominieren, wird intensiv an alternativen Materialien und Chemikalien geforscht, um deren Einschränkungen zu überwinden und den wachsenden Bedarf an Energiespeicherung zu decken. Zu diesen Technologien gehören Natrium-Ionen-, Magnesium-Ionen-, Zink-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien.

Jede Alternative bietet potenzielle Vorteile wie geringere Kosten, höhere Sicherheit oder höhere Energiedichte, steht aber auch vor Herausforderungen. Kontinuierliche Forschung und Entwicklung sind unerlässlich, um diese vielversprechenden Technologien auf den Markt zu bringen.

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Batterierecycling und Nachhaltigkeit

Mit der steigenden Nachfrage nach Batterien steigt auch der Bedarf an nachhaltigen Produktions- und Entsorgungspraktiken. Das Batterierecycling kann dazu beitragen, wertvolle Materialien zurückzugewinnen, die Umweltauswirkungen des Abbaus der zur Herstellung der Batterien benötigten Materialien zu verringern und eine nachhaltigere Kreislaufwirtschaft zu fördern.

Allerdings sind die aktuellen Recyclingquoten insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien niedrig. Um diesem Problem entgegenzuwirken, werden Fortschritte bei den Recyclingtechnologien erzielt und Vorschriften zur Förderung der Batteriesammlung eingeführt. Darüber hinaus wird auch an der Entwicklung nachhaltigerer Batterien geforscht, beispielsweise solchen, die reichlich vorhandene, ungiftige und leicht recycelbare Materialien verwenden.

Der Bereich der Batterietechnologie entwickelt sich aufgrund der Verbrauchernachfrage, der Umweltanforderungen und des technologischen Fortschritts rasant weiter. Verbesserungen in der Batterietechnologie sind für das Erreichen von Netto-Null von entscheidender Bedeutung, von der Verbesserung der Effizienz alltäglicher elektronischer Geräte bis hin zur Förderung der Umstellung auf Elektromobilität und erneuerbare Energien.

Diese Fortschritte befassen sich mit kritischen Aspekten wie Kostenreduzierung, Sicherheit, Leistungssteigerung und Integration in intelligente Netze und IoT-Geräte, die für die globale Energiewende und die Dekarbonisierungsbemühungen von entscheidender Bedeutung sind. Lassen Sie uns einige der wichtigsten Faktoren untersuchen, die die zukünftige Batterieforschung und -entwicklung beeinflussen.

Batteriekosten und Skalierbarkeit der Herstellung

Aufgrund der steigenden Nachfrage im Elektrofahrzeugsektor liegt ein erheblicher Schwerpunkt auf der Reduzierung der Batteriekosten und der Erhöhung der Skalierbarkeit der Fertigung. Es wurden große Fortschritte bei der Verbesserung der Produktionseffizienz und der Entwicklung kostengünstigerer und reichhaltigerer Materialien erzielt.

Auch Skaleneffekte haben bei der Kostensenkung eine Rolle gespielt. Beispielsweise sind die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien im letzten Jahrzehnt aufgrund verbesserter Produktionsprozesse und einer gestiegenen Nachfrage erheblich gesunken.

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Sicherheitsbedenken und Schadensbegrenzungsstrategien

Die Batteriesicherheit ist ein wichtiges Anliegen, insbesondere bei Elektrofahrzeugen (EVs) und Energiespeichern. Forscher entwickeln verschiedene Strategien zur Verbesserung der Sicherheit, beispielsweise die Verwendung stabilerer Elektrodenmaterialien, Festkörperelektrolyte, fortschrittlicher Batteriemanagementsysteme (BMS) und Wärmemanagementsysteme. Festkörperbatterien sind eine vielversprechende Technologie mit potenziell verbesserten Sicherheitseigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.

Verbesserte Akkuleistung

Zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsbemühungen verbessern die Batterieleistung durch neue Materialien (wie Lithium-reiche Kathoden), fortschrittliche Zelldesigns (wie die 4680-Zellen von Tesla) und alternative Batterien (wie Festkörperbatterien, Lithium-Schwefel-Batterien, Natrium-Ionen-Batterien). Magnesiumionen usw.). Auch an der Entwicklung von Technologien wie Metall-Luft- und Durchflussbatterien wird derzeit geforscht.

Ein vielversprechender Bereich der Batterieforschung ist die Kombination von Robotik und künstlicher Intelligenz, um schnell Prototypen neuer Chemikalien und Technologien zu entwickeln. Dies könnte sich in Zukunft als sehr fruchtbar erweisen.

Integration von Batterien in Smart Grids und das Internet der Dinge (IoT)

Fortschritte bei kleinen Batterien und Energiegewinnungstechniken ermöglichen eine neue Generation vernetzter IoT-Geräte. Darüber hinaus ermöglicht die Entwicklung fortschrittlicher Batteriemanagementsysteme eine bessere Integration und ein besseres Batteriemanagement in diesen Systemen, was zum Übergang zu erneuerbaren Energiequellen beiträgt und die Netzstabilität verbessert.

Auswirkungen der Batterietechnologie auf die Energiewende und Dekarbonisierungsbemühungen

Wie wir oben gesehen haben, sind Fortschritte in der Batterietechnologie von entscheidender Bedeutung für den globalen Übergang zu nachhaltiger Energie und die Bemühungen zur Dekarbonisierung. Sie unterstützen den Übergang zu Elektromobilität und erneuerbaren Energien, beides wichtige Komponenten einer kohlenstoffarmen Wirtschaft.

Durch Kosten-, Leistungs- und Sicherheitsverbesserungen der Batterie werden Elektrofahrzeuge wettbewerbsfähiger gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen und beschleunigen den Übergang zu nachhaltigem Transport. Ebenso ermöglichen Fortschritte bei netzgroßen Batterien eine stärkere Durchdringung variabler erneuerbarer Energiequellen wie Wind und Sonne.

Und das ist Ihr Los für heute.

Die Batterietechnologie bildet das Rückgrat vieler entscheidender Veränderungen im modernen Leben, von der persönlichen Elektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energien und mehr. Aber die Technologie ist noch lange nicht fertig.

Wie wir gesehen haben, entwickelt es sich ständig weiter und verschiebt die Grenzen des Möglichen. Während wir uns auf eine nachhaltige Zukunft zubewegen, werden Fortschritte in diesem entscheidenden Bereich weiterhin transformative Veränderungen auslösen, und zukünftige Entwicklungen werden uns heute wahrscheinlich ebenso fremd sein wie die bescheidene AA-Batterie für unsere Vorfahren.