Festkörperbatterien
Die Zukunft der Energiespeicherung
Was macht Festkörperbatterien aus?
Der zentrale Unterschied zwischen Festkörperbatterien und herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien liegt im Einsatz fester Elektrolyte anstelle von flüssigen Elektrolyten.
Durch den Verzicht auf flüssige Elektrolyte, welche in herkömmlichen Batterien Risiken durch Entflammbarkeit bergen können, versprechen Festkörperbatterien verbesserte Sicherheit im alltäglichen Gebrauch.
Auch die maximale Energiedichte von Festkörperbatterien ist im Vergleich zu herkömmlichen Batterien höher. Z. B. ist mit festen Elektrolyten der Einsatz von metallischen Lithium-Anoden denkbar, da der feste Elektrolyt dem Risiko der Dendritenbildung und eines Kurzschlusses entgegenwirkt.
Diese Eigenschaften versprechen großes Potenzial dieser Technologie in der Anwendung in mobilen Geräten und Fahrzeugen der Zukunft.
Autoren und Anwendungsspezialisten
Maximilian Luczak, M.Sc.
Application Engineer
for Consulting and Projects
Funktionsprinzip einer Festkörperbatterie
Eine Festkörperbatterie speichert elektrische Energie durch die Ein- und Auslagerung von Lithiumionen in den Aktivmaterialien in der Zelle, die sogenannte (De)Lithiierung. Bei Entlade- und Ladevorgängen werden Lithiumionen und Elektronen getrennt. Lithiumionen werden durch den Elektrolyt zur Gegenkathode transportiert, während Elektronen durch den externen Stromkreis zwischen den Elektroden ausgetauscht werden.
Der Entladungs- und Ladeprozess einer Festkörperbatterie:
Schritt 1: Lithiumionen werden durch den Festelektrolyten vom Aktivmaterial der Kathode zum Stromabnehmer der Anode übertragen. Dabei wird eine externe Spannungsquelle angelegt, um Elektronen über den Stromabnehmer der Kathode zur Anode zu übertragen. Die Lithiumionen und Elektronen rekombinieren am Stromabnehmer, der Anode, zu metallischem Lithium und bilden ein Lithiumreservoir.
Schritt 2: Während des Ladevorgangs kann die Zellspannung entlang des Ladezustands der Batterie verfolgt werden.
Schritt 3: Der Entladevorgang verläuft in umgekehrter Richtung wie der Ladevorgang. Das metallische Lithiumreservoir setzt Lithiumionen frei, die durch den Elektrolyt zum Aktivmaterial der Kathode transportiert werden, damit dieses wieder lithiiert werden kann. Dabei wandern Elektronen über den externen Stromkreis von der Anode zur Kathode und können einen Verbraucher mit Energie versorgen.
Die Vorteile von Festkörperbatterien:
- Höhere Energiedichte: Festkörperbatterien versprechen höhere Energiedichten von bis zu 500 Wh/kg. Dies ist durch den Einsatz von energiereicheren Materialien, wie z. B. metallischem Lithium realisierbar.
- Temperaturbeständigkeit & Sicherheit: Der Austausch von brennbaren organischen Flüssigelektrolyten durch ionenleitende, feste Materialien reduziert die Brandgefahr von Festkörperbatterien im Vergleich zu konventionellen Batterien erheblich.
- Platz- und Gewichtseinsparung: Neue platz- und gewichtseinsparende Zellkonzepte wie z. B. Strukturbatterien, die die mechanische Festigkeit verstärken, sind mit Festkörperbatterien möglich.
- Umweltfreundlichkeit: Da Festkörperbatterien keine giftigen oder entflammbaren Flüssigkeiten enthalten und langlebiger im Gebrauch sind, sind sie eine nachhaltigere Option zu konventionellen Batterien. Festkörperbatterien mit hoher Speicherkapazität z. B. in Fahrzeugen können als Speicher für überschüssige erneuerbar Energie im Stromnetz eingesetzt werden. 1
Herausforderungen und Chancen von Festkörperbatterien
Trotz vielversprechender Eigenschaften stehen Festkörperbatterien noch am Anfang ihrer Entwicklung und vor einigen Herausforderungen.
Die mechanische Belastung, die durch das Ausdehnen und Kontrahieren der Materialien im Ladezyklus entsteht, stellt für Festkörperbatterien ein größeres Problem dar, als dies bei Batterien mit flüssigem Elektrolyt der Fall ist. Unter Belastung können die Kontakte des Feststoffelektrolyten zu den Aktivmaterialien und dem Lithiumreservoir unterbrochen werden. Dann ist kein Ionenaustausch mehr möglich und die Lebensdauer der Batterien wird eingeschränkt.
Um diese Herausforderungen zu lösen, muss normalerweise kosten-, zeit- und ressourcenintensive Forschung in aufwendigen Experimenten betrieben werden. Mit dem Einsatz von Simulationen z. B. mit der GeoDict Software, die die Performanz und Alterungsprozesse und ihre Auswirkungen auf die Lebensdauer von Festkörperbatterien nachbilden kann, ist es möglich den Forschungsprozess wesentlich effizienter und schneller zu gestalten.
Chance: Durch Simulation mit GeoDict die Leistungsfähigkeit von Festkörperbatterien verbessern
Die Software GeoDict ermöglicht den Import von 3D-Bilddaten mit den benötigten Segmentierungs-Tools sowie das digitale Modellieren von Festkörperbatteriestrukturen.
KI-unterstützte Methoden erlauben die Identifizierung einzelner Partikel in importierten Bilddaten. Hierdurch wird die Möglichkeit gegeben, digitale Zwillinge zu erstellen, die für Parameterstudien zur Verfügung stehen. Die integrierte Materialdatenbank beinhaltet gängige Materialien sowie ihre Materialparameter für die Modellierung und bietet zudem die Möglichkeit eigene Materialien zur Datenbank zu integrieren.
Neben der Modellierung der Mikrostruktur bietet GeoDict auch umfassende Analysen von Festkörperbatterien. Durch numerische Verfahren lassen sich Parameter wie Tortuosität, die thermische und elektrische Leitfähigkeit oder die Diffusionsfähigkeit bestimmen. Elektrochemische Ladezyklen und die durch die mechanische Belastung entstehenden Alterungsprozesse können mit GeoDict simuliert werden.
More Info
Video: GeoDict Tutorial - How to model an all-solid-state-battery
Das Forschungsprojekt DELFIN
Für den Einsatz in der Entwicklung von neuen Festkörperbatterien-Designs wird GeoDict mit Modulen ausgestattet, die besondere Eigenschaften der Festkörperbatterien berücksichtigen und so die Simulationen in diesem Anwendungsfeld verbessern und vereinfachen.
Im Forschungsprojekt DELFIN arbeitet Math2Market zusammen mit führenden Forschungsinstituten an der Entwicklung belastbarer Methoden zur Simulation von Ladezyklen und Alterungsprozessen in Festkörperbatterien mit GeoDict.
Die Ergebnisse dieser Forschung werden in GeoDict als umfassendes Simulationstool zugänglich gemacht. GeoDict ist so in der Lage einen wertvollen Beitrag zur effizienten und ressourcenschonenden Forschung & Entwicklung moderner Festkörperbatterien zu leisten.
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Referenzen #
[1] https://www.ifam.fraunhofer.de/de/magazin/festkoerperbatterien-fuer-die-elektromobilitaet.html