Eine Festkörperbatterie besteht ausschließlich aus festen Komponenten. Dies unterscheidet sie von herkömmlichen Akkumulatoren wie Lithium-Ionen-Akkus, die Metallelektroden (Kathode und Anode) verwenden, die durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt sind. Festkörperbatterien hingegen verwenden einen festen Elektrolyten.
Festelektrolyte dürften die Entwicklung von Batterien mit höherer Kapazität und Leistung als Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen. Darüber hinaus bieten Festelektrolyte Sicherheitsvorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien , wodurch sie für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und anderen Anwendungen attraktiv werden.
Festkörperbatterien bieten daher voraussichtlich verschiedene Vorteile, sobald sie praxistauglich sind. Derzeit konkurrieren mehrere Unternehmen um die Produktentwicklung und die Massenproduktion, um die hohe Nachfrage zu decken.
Wie funktionieren Festkörperbatterien?
Festkörperbatterien funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie Lithium-Ionen-Batterien, wenn es um die Stromerzeugung geht. Metall dient als Elektrodenmaterial, und Ionen wandern durch den Festelektrolyten zwischen Kathode und Anode, um einen elektrischen Fluss zu erzeugen. Der entscheidende Unterschied liegt in der Verwendung eines Festelektrolyten.
Im Gegensatz zu flüssigen Elektrolyten, die einen Separator benötigen, um eine abrupte Vermischung zwischen Kathoden- und Anodenseite zu verhindern, ist bei Festkörperbatterien ein solcher Separator nicht erforderlich.
Der Schwerpunkt der Festkörperbatterieforschung liegt auf der Entdeckung und Entwicklung geeigneter Festkörpermaterialien. Bisher mangelte es an solchen Materialien, die eine ausreichende Ionenbewegung innerhalb der Batterie ermöglichten, um einen genügenden Strom für die Elektroden zu erzeugen. Jüngste Entdeckungen dieser Materialien haben die Entwicklung von Festkörperbatterien jedoch deutlich beschleunigt. Der Wechsel von flüssigen zu festen Elektrolyten ermöglicht eine effiziente Ionenmobilität in Batterien und damit die Herstellung von Batterien mit höherer Kapazität und Leistung als Lithium-Ionen-Batterien.
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Welche Arten von Festkörperbatterien gibt es?
Festkörperbatterien werden je nach Herstellungsverfahren in zwei Hauptkategorien unterteilt und unterscheiden sich in ihrer Energiespeicherkapazität.
1. Massen-Feststoffbatterien:
- Bei diesen Batterien werden sowohl für die Elektroden als auch für den Elektrolyten pulverförmige Materialien verwendet.
- Sie besitzen die Fähigkeit, eine beträchtliche Menge Energie zu speichern.
- Wird hauptsächlich für größere Anwendungen wie Elektrofahrzeuge verwendet.
2. Dünnschicht-Festkörperbatterien:
- Sie werden hergestellt, indem in einer Vakuumumgebung ein dünner Elektrolytfilm auf die Elektroden aufgebracht wird.
- Sie verfügen zwar über eine begrenzte Energiespeicher Kapazität bieten sie den Vorteil einer längeren Lebensdauer und einer unkomplizierten Herstellung.
- Aufgrund der kompakten Größe am besten für kleine Geräte wie Sensoren geeignet.
Welche Vorteile haben Festkörperbatterien gegenüber Lithium-Ionen-Batterien?
Festkörperbatterien, die als die nächste Generation von Sekundärbatterien erwartet werden, bieten mehrere bemerkenswerte Vorteile:
1. Verbesserte Temperaturtoleranz:
Lithium-Ionen-Batterien verwenden brennbare Elektrolyte auf Basis organischer Lösungsmittel, was Bedenken hinsichtlich ihrer Leistung bei hohen Temperaturen aufkommen lässt.
Festkörperbatterien hingegen verwenden nicht brennbare Materialien in ihren Elektrolyten, wodurch sie sich gut für Hochtemperaturumgebungen eignen.
Zudem können flüssige Elektrolyte bei niedrigen Temperaturen die Ionenbewegung behindern, was zu einer reduzierten Batterieleistung und einem Spannungsabfall führt. Festkörperbatterien hingegen weisen eine konstantere Leistung auf, da ihre feste Struktur ein Einfrieren selbst bei Kälte verhindert.
2. Schnellladefähigkeit:
Die hohe Temperaturbeständigkeit von Festkörperbatterien kommt auch dem Schnellladen zugute. Schnellladen erzeugt mehr Wärme, und aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit können Festkörperbatterien voraussichtlich höhere Laderaten als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen.
3. Verlängerte Lebensdauer:
Die Lebensdauer von Batterien hängt maßgeblich von den Eigenschaften des Elektrolyten ab. Lithium-Ionen-Batterien weisen zwar nur eine minimale Elektrodenalterung auf, jedoch kann eine langfristige Nutzung zu einer Zersetzung des Elektrolyten führen.
Im Gegensatz dazu kommt es bei Festkörperbatterien zu einer geringeren Verschlechterung des Elektrolyten als bei flüssigkeitsbasierten Gegenstücken, was ihre Betriebslebensdauer potenziell verlängert.
4. Vielseitige Formfaktoren:
Flüssige Elektrolyte erfordern strukturelle Einschränkungen, um Leckagen zu verhindern. Festkörperbatterien hingegen bieten eine größere Designflexibilität. Sie lassen sich in verschiedenen Formen herstellen, darunter kleinere, dünnere und flexible Ausführungen, was vielfältige Anwendungen ermöglicht, beispielsweise Überlappungen und Biegungen, ohne dass Elektrolytleckagen befürchtet werden müssen.
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Welche Anwendungen gibt es für Festkörperbatterien?
Das Anwendungsspektrum von Festkörperbatterien ist vielfältig:
- Elektrische Fahrzeuge: Diese Batterien bieten erhöhte Sicherheit durch den Verzicht auf brennbare Komponenten und verringern so das Entzündungsrisiko bei Unfällen. Zudem ermöglichen sie ein schnelleres Laden im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien.
- Elektronik: Ihre Hitzebeständigkeit ermöglicht das direkte Löten auf elektronische Substrate und eignet sich daher für Notstromversorgungen elektronischer Geräte und IoT-Sensoren. Sie können die Betriebsdauer von PCs und Smartphones verlängern.
- Transport: Aufgrund ihrer größeren Kapazität und höheren Leistung eignen sich Festkörperbatterien für den Einsatz in Flugzeugen und Schiffen und verbessern die Möglichkeiten zur Energiespeicherung und -lieferung.
- Weltraumforschung: Aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeit eignen sich diese Batterien für den Einsatz in Weltraumgeräten, wo die Temperaturschwankungen von extremer Kälte bis hin zu extremer Hitze reichen.
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