Kürzlich haben wir über die Geschichte der Erfindung von Lithium-Ionen-Batterien gesprochen, die der Entwicklung tragbarer Elektronik einen starken Impuls gab. Jedes Jahr informieren uns technologische Medien über die bevorstehende Energiewende - nur ein bisschen, noch ein oder zwei Jahre, und die Welt wird Batterien mit fantastischen Eigenschaften sehen. Im Laufe der Zeit und wenn die Revolution nicht sichtbar ist, sind in unseren Handys, Laptops, Quadrocoptern, Elektrofahrzeugen und Smartwatches immer noch verschiedene Modifikationen von Lithium-Ionen-Batterien installiert. Wohin gingen all die innovativen Batterien und gibt es überhaupt eine Alternative zu Li-Ion?
Wann auf die Batteriewende warten?
Es ist schade, Sie zu verärgern, aber es ist bereits vorbei. Es erstreckte sich nur ein paar Jahrzehnte und blieb daher fast unbemerkt. Tatsache ist, dass die Erfindung der Lithium-Ionen-Batterien der Höhepunkt der Entwicklung chemischer Batterien war.
Chemische Stromquellen basieren auf einer Redoxreaktion zwischen Elementen. Im Periodensystem gibt es nur 90 natürliche Elemente, die an einer solchen Reaktion teilnehmen können. Lithium erwies sich also als Metall mit extremen Eigenschaften: der niedrigsten Masse, dem niedrigsten Elektrodenpotential (–3,05 V) und der höchsten Strombelastung (3,83 A · h / g).
Lithium ist der beste Kathodenwirkstoff der Erde. Die Verwendung anderer Elemente kann eine Eigenschaft verbessern und eine andere zwangsläufig verschlechtern. Aus diesem Grund werden seit 30 Jahren Experimente mit Lithiumbatterien durchgeführt. Durch die Kombination von Materialien, zu denen immer Lithium gehört, schaffen die Forscher Batterietypen mit den erforderlichen Eigenschaften, die eine sehr enge Anwendung finden. Die gute alte Batterie mit einer Lithium-Kobaltoxid-Kathode, die aus den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts zu uns kam, kann aufgrund der hervorragenden Kombination von Spannung, Strombelastung und Energiedichte immer noch als die häufigste und universellste angesehen werden.
Wenn das nächste Startup durch die Medien lautstark der Welt von Tag zu Tag eine Energiewende verspricht, schweigen die Wissenschaftler daher bescheiden darüber, dass neue Batterien einige Probleme und Einschränkungen aufweisen, die noch gelöst werden müssen. Sie können normalerweise nicht gelöst werden.
Das Hauptproblem der "revolutionären" Batterien
Heutzutage gibt es viele Arten von Batterien mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, auch ohne Verwendung von Lithium. Jeder der Typen mit seinen eigenen Eigenschaften hat seine Anwendung in einer bestimmten Art von Technologie gefunden. Leichte, dünne und Hochspannungs-Lithium-Kobalt-Batterien sind in kompakten Smartphones seit langem vorgeschrieben. Robuste, leistungsstarke, aber sehr große Lithium-Titanat-Batterien passen in den öffentlichen Verkehr. Feuerfeste Lithiumphosphatzellen mit geringer Kapazität werden als große Arrays in Kraftwerken eingesetzt.
Am gefragtesten sind jedoch Lithium-Kobalt-Batterien für mobile Endgeräte. Das Hauptkriterium, das sie erfüllen, ist eine Hochspannung von 3,6 V bei gleichzeitig hoher Energieintensität pro Volumeneinheit. Leider haben viele alternative Arten von Lithiumbatterien eine viel niedrigere Spannung - unter 3,0 V und sogar unter 2,0 V -, mit der es unmöglich ist, ein modernes Smartphone mit Strom zu versorgen.
Das Absinken einer der Eigenschaften kann durch Kombinieren der Batterien zu Zellen kompensiert werden, aber dann wachsen die Abmessungen. Wenn also die nächste vielversprechende Batterie mit wundersamen Eigenschaften für den Einsatz in mobilen Geräten oder Elektrofahrzeugen ungeeignet ist, ist ihre Zukunft fast garantiert vorbestimmt. Warum brauchen wir einen Akku mit einer Lebensdauer von 100.000 Zyklen und schnellem Laden, von dem aus Sie eine Armbanduhr nur mit Zeigern verwenden können?
Fehlgeschlagene Experimente
Nicht alle der unten beschriebenen Batterien können als nicht erfolgreich angesehen werden - einige erfordern eine sehr lange Entwicklung, andere finden ihre Anwendung möglicherweise nicht in Smartphones, sondern in speziellen Geräten. Trotzdem wurden all diese Entwicklungen als Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien in Smartphones positioniert.
2007 erhielt das amerikanische Startup Leyden Energy von mehreren Risikokapitalfonds eine Investition in Höhe von 4,5 Millionen US-Dollar, um eine
neue Generation von Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln . Das Unternehmen verwendete einen neuen Elektrolyten (Solvent-in-Salt) und eine Siliziumkathode, die die Energieintensität und die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen bis zu 300 ° C signifikant erhöhten. Versuche, Laptop-Batterien basierend auf der Entwicklung herzustellen, schlugen fehl, und so wechselte Leyden Energy zum Markt für Elektroautos.
Trotz der ständigen Infusion von mehreren zehn Millionen Dollar war das Unternehmen nicht in der Lage, die Produktion von Batterien mit stabilen Eigenschaften zu etablieren - die Indikatoren schwebten von Kopie zu Kopie. Wenn das Unternehmen mehr Zeit und Finanzierung hätte, müsste es möglicherweise 2012 keine Geräte und Patente verkaufen und unter die Fittiche eines anderen Energieunternehmens, A123 Systems, treten.
Lithium-Metall-Batterien sind nicht neu: Sie enthalten nicht wiederaufladbare Lithium-Batterien. SolidEnergy hat sich zum Ziel gesetzt, wiederaufladbare Lithiummetallzellen herzustellen. Das neue Produkt hatte im Vergleich zu Lithium-Kobalt-Batterien die doppelte Energieintensität. Das heißt, im vorherigen Band war es möglich, doppelt so viel Energie einzubauen. Anstelle von herkömmlichem Graphit an der Kathode verwendeten sie Lithium-Metall-Folie. Bis vor kurzem waren Lithiummetallbatterien aufgrund des Wachstums von Dendriten (die an der Anode und Kathode von Holzmetallformationen wachsen) extrem explosiv, was zu einem Kurzschluss führte, aber die Zugabe von Schwefel und Phosphor zum Elektrolyten half, Dendriten loszuwerden (obwohl SolidEnergy die Technologie noch nicht besitzt ) Neben dem sehr hohen Preis gehört zu den bekannten Problemen von SolidEnergy-Akkus eine lange Ladung - 20% der Kapazität pro Stunde.
Vergleich der Größen von Lithiummetall- und Lithium-Ionen-Batterien gleicher Kapazität. Quelle: SolidEnergy Systems
Die aktiven Arbeiten an
Schwefel-Magnesium-Elementen begannen in den 2010er Jahren, als Toyota Forschungen auf diesem Gebiet ankündigte. Die Anode in solchen Batterien ist Magnesium (ein gutes, aber nicht äquivalentes Lithiumanalogon), die Kathode besteht aus Schwefel und Graphit und der Elektrolyt ist eine gewöhnliche Salzlösung von NaCl. Das Problem mit dem Elektrolyten ist, dass er Schwefel zerstört und die Batterie außer Betrieb setzt, sodass Sie den Elektrolyten unmittelbar vor dem Gebrauch einfüllen mussten.
Die Ingenieure von Toyota haben einen Elektrolyten aus nicht nukleophilen Partikeln hergestellt, der gegenüber Schwefel nicht aggressiv ist. Wie sich herausstellte, kann ein stabilisierter Akku noch lange nicht verwendet werden, da seine Kapazität nach 50 Zyklen um die Hälfte abnimmt. Im Jahr 2015 wurde ein Lithium-Ionen-Additiv in die Batterie integriert, und nach weiteren zwei Jahren wurde der Elektrolyt aktualisiert, wodurch die Batterielebensdauer auf 110 Zyklen verlängert wurde. Der einzige Grund, warum die Arbeit an einer so launischen Batterie fortgesetzt wird, ist eine hohe theoretische Energieintensität (1722 Wh / kg). Es kann sich jedoch herausstellen, dass bis zum Erscheinen erfolgreicher Prototypen keine Magnesium-Schwefel-Elemente mehr benötigt werden.
Erzeugung statt Energiespeicherung
Einige Forscher schlagen vor, das Gegenteil zu tun: Nicht speichern, sondern Energie direkt im Gerät erzeugen. Ist es möglich, ein Smartphone in ein kleines Kraftwerk zu verwandeln? In den letzten zehn Jahren gab es mehrere Versuche, die Geräte von der Notwendigkeit zu befreien, über das Stromnetz aufgeladen zu werden. Gemessen daran, wie wir Smartphones jetzt aufladen, waren die Versuche erfolglos - erinnern wir uns an die „erfolgreichsten“ Erfindungen.
Brennstoffzelle für die direkte Zersetzung von Methanol (DFMC). Die Versuche, Methanol-Brennstoffzellen in die Mobiltechnologie einzuführen, begannen Mitte der 2000er Jahre. Zu diesem Zeitpunkt gab es nur einen Übergang von langlebigen Drucktastentelefonen zu anspruchsvollen Smartphones mit großem Bildschirm - Lithium-Ionen-Akkus hielten maximal zwei Tage, sodass die Idee des sofortigen Aufladens sehr attraktiv schien.
In der Brennstoffzelle wird Methanol auf der Polymermembran, das als Elektrolyt wirkt, zu Kohlendioxid oxidiert. Das Wasserstoffproton gelangt zur Kathode, verbindet sich mit Sauerstoff und bildet Wasser. Nuance: Eine effektive Reaktion erfordert eine Temperatur von etwa 120 ° C, kann jedoch durch einen Platinkatalysator ersetzt werden, was sich natürlich auf die Kosten des Elements auswirkt.
Es stellte sich als unmöglich heraus, eine Brennstoffzelle in die Telefonhülle einzubauen: Der Brennstoffraum erwies sich als zu insgesamt. Daher nahm die Idee von DFMC Ende der 2000er Jahre in Form von tragbaren Batterien (Powerbanks) Gestalt an. Im Jahr 2009 startete Toshiba eine serielle Methanol-Powerbank namens Dynario. Es wog 280 g und ähnelte modernen tragbaren Batterien mit einer Größe von 30.000 mAh, dh es hatte die Größe einer Handfläche. Der Preis für Dynario in Japan betrug beeindruckende 328 USD und weitere 36 USD für einen Satz von fünf Durchstechflaschen mit jeweils 50 ml Methanol. Ein „Auftanken“ erfordert 14 ml, sein Volumen reichte für zwei Ladevorgänge eines Drucktastentelefons über USB mit einem Strom von 500 mA.
Toshiba Dynario Tank- und Betriebsvideo
Es ging nicht über die Veröffentlichung einer experimentellen Charge von 3000 Exemplaren hinaus, da sich die Tankstelle als zu kontrovers herausstellte: teuer an sich, mit teuren Verbrauchsmaterialien und den hohen Kosten für eine Telefongebühr (ca. 1 USD für einen Druckknopf). Darüber hinaus ist Methanol giftig und erfordert in einigen Ländern eine Lizenz zum Verkauf und sogar zum Kauf.
Transparente Sonnenkollektoren. Sonnenkollektoren sind eine hervorragende Lösung für die Gewinnung der endlosen (in unserem Jahrhundert) Energie der Sonne. Solche Panels haben einen geringen Wirkungsgrad bei hohen Kosten und zu geringem Stromverbrauch, während sie der einfachste Weg sind, Strom zu erzeugen. Der wahre Traum der Menschheit sind jedoch transparente Sonnenkollektoren, die anstelle von Glas in den Fenstern von Häusern, Autos und Gewächshäusern installiert werden könnten. Kombinieren Sie sozusagen Geschäft mit Vergnügen - Stromerzeugung und natürliche Raumbeleuchtung. Die gute Nachricht ist, dass es transparente Sonnenkollektoren gibt. Das Schlimme ist, dass sie praktisch nutzlos sind.
Entwickler und University of Michigan präsentieren ein transparentes Panel ohne Rahmen. Quelle: YouTube / Michigan State University
Um Lichtphotonen zu „fangen“ und in Elektrizität umzuwandeln, kann das Solarpanel im Prinzip nicht transparent sein, aber das neue transparente Material kann UV- und IR-Strahlung absorbieren, alles in den Infrarotbereich umwandeln und an den Rändern des Panels entfernen. An den Rändern des transparenten Paneels sind gewöhnliche Silizium-Photovoltaik-Paneele als Rahmen installiert, die das im Infrarotbereich extrahierte Licht einfangen und Strom erzeugen. Das System funktioniert nur mit einem Wirkungsgrad von 1-3% ... Der durchschnittliche Wirkungsgrad moderner Solarmodule beträgt 20%.
Trotz der mehr als zweifelhaften Wirksamkeit der Lösung kündigte der berühmte Uhrenhersteller TAG Heuer 2014 das Premium-Tag-Telefon Tag Heuer Meridiist Infinite an, bei dem ein transparentes Solarpanel von Wysis oben auf dem Bildschirm installiert wurde. Schon bei der Ankündigung der Lösung für Smartphones versprach Wysis die Leistung einer solchen Solarladung von ca. 5 mW bei 1 cm2 Bildschirm, was extrem klein ist. Dies sind beispielsweise nur 0,4 W für den Bildschirm des iPhone X. Angesichts der Tatsache, dass der komplette Adapter des Apple-Smartphones für eine extrem niedrige Leistung von 5 W ausgelegt ist, ist es klar, dass Sie ihn nicht mit 0,4 W aufladen können.
Übrigens funktionierte es nicht mit Methanol, aber die Wasserstoffbrennstoffzellen erhielten eine Eintrittskarte zum Leben und wurden zur Grundlage des Elektroautos Toyota Mirai und der mobilen Kraftwerke Toshiba.
Und was passiert ist: erfolgreiche Experimente mit Li-Ion
Erfolg hatten diejenigen, die sich nicht beeilten, die Welt um jeden Preis zu verändern, sondern lediglich daran arbeiteten, die individuellen Eigenschaften der Batterien zu verbessern. Das Wechseln des Kathodenmaterials wirkt sich stark auf die Spannung, Energieintensität und Batterielebensdauer aus. Als nächstes werden wir über die gewohnten Entwicklungen sprechen, die erneut die Universalität der Lithium-Ionen-Technologie bestätigen - für jede "revolutionäre" Entwicklung gibt es ein effizienteres und billigeres Analogon.
Lithiumkobalt (LiCoO2 oder LCO). Betriebsspannung: 3,6 V, Energieverbrauch bis 200 W · h / kg, Lebensdauer bis 1000 Zyklen. Graphitanode, Lithium-Kobaltoxid-Kathode, oben beschriebene klassische Batterie. Diese Kombination wird am häufigsten in Batterien für mobile Geräte verwendet, bei denen ein hoher Energieverbrauch pro Volumeneinheit erforderlich ist.
Lithiummangan (LiMn2O4 oder LMO). Betriebsspannung: 3,7 V, Energieverbrauch bis 150 W · h / kg, Lebensdauer bis 700 Zyklen. Die erste wirksame alternative Zusammensetzung wurde bereits vor Beginn des Verkaufs von Lithium-Ionen-Batterien als solche entwickelt. An der Kathode wurde Lithium-Mangan-Spinell verwendet, der es ermöglichte, den Innenwiderstand zu verringern und den Ausgangsstrom signifikant zu erhöhen. Lithium-Mangan-Batterien werden in anspruchsvollen aktuellen Geräten wie Elektrowerkzeugen verwendet.
Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (LiNiMnCoO2 oder NMC). Betriebsspannung: 3,7 V, Energieverbrauch bis 220 W · h / kg, Lebensdauer bis 2000 Zyklen. Die Kombination von Nickel, Mangan und Kobalt erwies sich als sehr erfolgreich, die Batterien erhöhten sowohl die Energieintensität als auch die Leistung des gegebenen Stroms. In denselben "Bänken" stieg die Kapazität von 18650 auf 2800 mAh, und der maximale Ausgangsstrom betrug bis zu 20 A. In den meisten Elektrofahrzeugen sind NMC-Batterien installiert, die manchmal mit Lithium-Mangan-Zellen verdünnt werden, da solche Batterien eine lange Lebensdauer haben.
Das neue Elektroauto Nissan Leaf mit NMC-Batterie wird nach Berechnungen des Herstellers 22 Jahre alt. Die vorherige LMO-Batterie hatte weniger Kapazität und war viel schneller abgenutzt. Quelle: Nissan
Lithiumeisenphosphat (LiFePO4 oder LFP). Betriebsspannung: 3,3 V, Energieverbrauch bis 120 W · h / kg, Lebensdauer bis 2000 Zyklen. Die 1996 entdeckte Zusammensetzung trug dazu bei, die Stromstärke zu erhöhen und den Lebenszyklus von Lithium-Ionen-Batterien auf bis zu 2000 Ladungen zu verlängern. Lithiumphosphatbatterien sind sicherer als ihre Vorgänger und halten Überladung besser stand. Das ist nur, dass ihre Energieintensität nicht für mobile Geräte geeignet ist - wenn die Spannung auf 3,2 V erhöht wird, wird die Energieintensität im Vergleich zur Lithium-Kobalt-Zusammensetzung um mindestens die Hälfte reduziert. Andererseits zeigt LFP eine geringere Selbstentladung und es gibt eine besondere Ausdauer für niedrige Temperaturen.
Eine Reihe von Lithiumphosphatzellen mit einer Gesamtkapazität von 145,6 kWh. Solche Arrays werden verwendet, um Energie von Sonnenkollektoren sicher zu speichern. Quelle: Yo-Co-Man / Wikimedia
Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (LiNiCoAlO2 oder NCA). Betriebsspannung: 3,6 V, Leistungsaufnahme bis 260 W · h / kg, Lebensdauer bis 500 Zyklen. Sehr ähnlich wie eine NMC-Batterie hat sie einen hervorragenden Stromverbrauch, der für die meisten Geräte mit einer Nennspannung von 3,6 V geeignet ist. Aufgrund der hohen Kosten und der geringen Lebensdauer (ca. 500 Ladezyklen) können NCA-Batterien jedoch keine Konkurrenz schlagen. Bisher werden sie nur in einigen Elektrofahrzeugen eingesetzt.
Showdown des Allerheiligsten - Tesla Model S elektrische Batteriezelle NCA
Lithiumtitanat (Li4Ti5O12 oder SCiB / LTO). Betriebsspannung: 2,4 V, Energieverbrauch bis 80 W · h / kg, Lebensdauer bis 7000 Zyklen (SCiB: bis 15 000 Zyklen). Eine der interessantesten Arten von Lithium-Ionen-Batterien, bei denen die Anode aus Lithiumtitanat-Nanokristallen besteht. Die Kristalle trugen dazu bei, die Oberfläche der Anode von 3 m2 / g in Graphit auf 100 m2 / g zu erhöhen, dh mehr als 30-mal! Der Lithium-Titanat-Akku lädt sich fünfmal schneller bis zur vollen Kapazität auf und liefert zehnmal mehr Strom als andere Akkus. Lithium-Titanat-Batterien haben jedoch ihre eigenen Nuancen, die den Umfang der Batterien einschränken. Niederspannung (2,4 V) und Energieverbrauch sind nämlich 2-3 mal niedriger als bei anderen Lithium-Ionen-Batterien. Dies bedeutet, dass der Lithium-Titanat-Akku um eine ähnliche Kapazität mehrmals erhöht werden muss, weshalb Sie ihn nicht in dasselbe Smartphone einlegen können.
Toshiba SCiB-Modul mit einer Kapazität von 45 Ah, einer Nennspannung von 27,6 V und einem Entladestrom von 160 A (Impuls bis 350 A). Es wiegt 15 kg und hat die Größe eines Schuhkartons: 19x36x12 cm. Quelle: Toshiba
Lithium-Titanat-Batterien kamen jedoch sofort in den Transport, wo schnelles Laden, hohe Ströme beim Beschleunigen und Kältebeständigkeit wichtig sind. Zum Beispiel Elektroautos Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV und in Moskau Elektrobusse! Zu Beginn des Projekts verwendeten Moskauer Busse einen anderen Batterietyp, was bereits in der Mitte der ersten Passage auf der Strecke zu Problemen führte. Nach dem Einbau von Toshiba-Lithium-Titanat-Batterien gab es jedoch keine Meldungen mehr über entladene Elektrobusse. Toshiba SCiB-Batterien stellen dank der Verwendung von Titan-Niob in der Anode in nur 5 Minuten bis zu 90% der Kapazität wieder her - die zulässige Zeit, die der Bus benötigt, um an der Endhaltestelle zu parken, an der sich eine Ladestation befindet. Die Anzahl der Ladezyklen, denen ein SCiB-Akku standhalten kann, übersteigt 15.000.
Dichtheitsprüfung der Toshiba-Lithiumtitanat-Batterie. Wird es Feuer fangen oder nicht?
Energie Singularität
Seit mehr als einem halben Jahrhundert träumt die Menschheit davon, Atomenergie in Batterien zu stecken, die viele Jahre lang Strom liefern würden. Tatsächlich wurde bereits 1953 ein betavoltaisches Element erfunden, bei dem Elektronen infolge des Beta-Zerfalls eines radioaktiven Isotops die Halbleiteratome in Ionen umwandelten und einen elektrischen Strom erzeugten. Solche Batterien werden beispielsweise in Herzschrittmachern verwendet.
Was ist mit Smartphones? Bisher nichts, die Leistung atomarer Elemente ist vernachlässigbar, sie wird in Milliwatt und sogar in Mikrowatt gemessen. Sie können einen solchen Akku sogar in einem Online-Shop kaufen, aber selbst die berüchtigte Armbanduhr funktioniert nicht.
Wie lange muss man auf Atombatterien warten? Bitte, City Labs P200 - 2,4 V, 20 Jahre Betrieb, die Leistung beträgt jedoch bis zu 0,0001 W und der Preis liegt bei etwa 8000 USD. Quelle: City Labs
Mehr als 10 Jahre sind seit der Erfindung stabiler Lithium-Ionen-Batterien bis zum Beginn ihrer Massenproduktion vergangen. Vielleicht wird eine der neuesten Nachrichten über eine bahnbrechende Stromquelle prophetisch, und bis 2030 werden wir uns von Lithium und der Notwendigkeit des täglichen Ladens von Telefonen verabschieden. Derzeit sind es jedoch Lithium-Ionen-Batterien, die den Fortschritt auf dem Gebiet der tragbaren Elektronik und Elektrofahrzeuge bestimmen.