Die 10 fortschrittlichsten Batterietechnologien, die die Zukunft antreiben werden

In diesem Artikel besprechen wir die 10 fortschrittlichsten Batterietechnologien, die die Zukunft antreiben werden. Wenn Sie mehr über fortschrittlichere Batterietechnologien erfahren möchten, die die Zukunft antreiben werden, gehen Sie direkt zu „5 fortschrittlichsten Batterietechnologien, die die Zukunft antreiben werden“.

Fortschrittliche Batterietechnologie umfasst den Einsatz hochentwickelter Technologien und Materialien bei der Entwicklung und Produktion von Batterien, um deren Leistung, Effizienz und Haltbarkeit zu verbessern. Dies kann eine Vielzahl von Forschungsbereichen umfassen, die sich auf die Entwicklung von Batterien mit besserer Energiedichte, Lebensdauer und Kosten sowie auf die Entwicklung innovativer Lademethoden wie schnelles und kabelloses Laden konzentrieren. Zu den fortschrittlichen Batterietechnologien gehören Silizium- und Lithium-Metall-Anoden, Festkörperelektrolyte, fortschrittliche Li-Ionen-Designs, Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S), Natrium-Ionen-Batterien (Na-Ionen) und Redox-Flow-Batterien (RFBs). , Zn-Ionen-, Zn-Br- und Zn-Luft-Batterien.

Fortschrittliche Batterien haben in verschiedenen Branchen zahlreiche Anwendungen gefunden. Derzeit werden sie in tragbaren elektronischen Geräten, Elektro- und Hybridfahrzeugen, Energiespeichersystemen, medizinischen Geräten, Industrieanlagen und militärischen Anwendungen eingesetzt. Sila Nanotechnologies arbeitet beispielsweise an einer neuen Art von Lithium-Ionen-Batterie, die eine siliziumbasierte Anode anstelle einer Graphitanode verwendet. Das Unternehmen behauptet, dass dieser neue Batterietyp im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte und schnellere Ladezeiten aufweisen wird. Ziel des Unternehmens ist es, die Energiedichte von Batteriezellen um 20 bis 40 % zu steigern.

Die Entwicklung und Verwendung von Siliziumanoden und Li-Metallanoden sind zwei der faszinierendsten Materialfortschritte für Li-Ionen-Batterien. Das Potenzial dieser Anodenmaterialien für eine drastische Steigerung der Energiedichte ist spannend, es werden jedoch auch Verbesserungen der Leistungsfähigkeit, der Sicherheit und sogar der Kosten untersucht. Große Probleme mit der Lebensdauer von Silizium und Lithiummetall haben die kommerzielle Nutzung bisher verlangsamt und eingeschränkt. Bei den Li-S-Akkus ist die Langlebigkeit eine noch größere Herausforderung.

Angesichts der Bedeutung des EV-Sektors für die gesamte Weltwirtschaft wird erwartet, dass die Li-Ionen-Technologie ihre Führungsposition im Batterieuniversum auf absehbare Zeit behaupten wird, auch wenn sie von Problemen wie der Auswahl von Kathoden und Anoden, Fortschritten beim Zelldesign usw. geplagt wird. und die Geschwindigkeit der Energiedichteentwicklung. Die Verbesserung eines Leistungsparameters wie Energiedichte, Kosten oder Nachhaltigkeit geht fast immer auf Kosten eines anderen. Dies gilt auch dann, wenn man andere Batteriechemien als die Lithium-basierten in Betracht zieht.

Die Energiedichte wird in der Regel durch Alternativen zu Lithium-basierten Chemikalien zugunsten besserer Umweltverträglichkeit, geringerer Kapital- oder Lebenszeitkosten, verbesserter Leistungsfähigkeit oder längerer Zyklenlebensdauer geopfert. Letztendlich bestimmen die Anforderungen einer bestimmten Anwendung und eines bestimmten Marktes die Mischung der Leistungsmerkmale und damit die Wahl der Technologie und Chemie. Längerfristige Speichermethoden werden zunehmend nachgefragt, beispielsweise bei der stationären Energiespeicherung. Dies öffnet die Tür für Innovationen wie die Redox-Flow-Batterie, die die Energiekapazität leichter skaliert und gleichzeitig die Verwendung kostengünstiger und allgemein zugänglicher aktiver Materialien ermöglicht.

Natürlich steht der Sektor der Elektrofahrzeugbatterien im Mittelpunkt zahlreicher Fortschritte in der Batterietechnologie und bietet die Chance, einen Markt zu bedienen, dessen Nachfrage bis 2030 voraussichtlich 1500 GWh übersteigen wird. In der zweiten Hälfte des Jahrzehnts wird erwartet, dass der Markt für Elektrofahrzeugbatterien dies auch tun wird einen verstärkten Schwerpunkt auf Siliziumanoden-, Lithium-Metall- und Festkörpertechnologien legen. Asien und China dominieren mittlerweile die Verarbeitung von Li-Ionen-Materialien und die Zellproduktion, während insbesondere die USA und Europa nun versuchen, eigene Batterielieferketten aufzubauen und weiterzuentwickeln und damit das Tempo für Innovationen und die Entwicklung von Technologien der nächsten Generation vorzugeben Werte erfassen und domestizieren.

Wenn Start-up-Unternehmen anhand ihrer geografischen Lage als Indikator für Innovationen analysiert werden, entwickeln sich die USA zu einem Vorreiter in der Technologie der nächsten Generation, während auch in Europa erhebliche Aktivitäten zu verzeichnen sind. Allerdings ist zu beachten, dass die Entwicklung in Asien angesichts der größeren Präsenz großer Batteriehersteller und Materialunternehmen in der Region wahrscheinlich unterrepräsentiert ist. Der Markt für fortschrittliche Batterietechnologie wird in den kommenden Jahren voraussichtlich ein deutliches Wachstum verzeichnen. Es wird erwartet, dass die Marktgröße von 95,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 136,6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2027 ansteigt, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7,4 % entspricht.

Zu den bevorstehenden Trends für 2023 in der Branche der fortschrittlichen Batterietechnologie gehören der verstärkte Einsatz von Festkörpertechnologie, die Integration erneuerbarer Energien und umweltfreundliche Rohstoffe. Zu den Top-Unternehmen in diesem Zusammenhang gehören Tesla, Inc. (NASDAQ:TSLA), Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (NYSE:TSM) und General Motor Company (NYSE:GM). Bitte lesen Sie unseren Artikel über die laut Hedgefonds besten Batterieaktien zum Kauf.

Unsere Methodik

Diese wurden aus einer sorgfältigen Bewertung der Batterieindustrie ausgewählt. Die Batterietechnologien, die aufgrund der Realisierbarkeit ihrer kommerziellen Prototypen Wachstumspotenzial aufweisen, wurden für die Liste bevorzugt. Zusätzlich zu den Vorteilen, die verschiedene fortschrittliche Batterietechnologien bieten, werden auch ihre größten Nachteile diskutiert, da die Verbesserung eines Aspekts der Batterietechnologie normalerweise auf Kosten eines anderen geht.

Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie nutzt Lithium-Ionen als Schlüsselkomponente ihrer Elektrochemie. Lithiumatome in der Anode werden ionisiert und von ihren Elektronen getrennt. Die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien wird an technologischen Innovationen in der Kathode arbeiten, die höhere Energiedichten und geringere Kosten ermöglichen. Es gibt drei Arten von Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden: Lithiumferrophosphat oder Lithiumeisenphosphat, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid.

Trotz der Vorteile der Umweltfreundlichkeit und des geringeren Arbeitspotenzials stehen herkömmliche Graphitanoden in Lithiumbatterien vor Herausforderungen, wie beispielsweise der begrenzten Kapazität, um die Anforderungen der aufkommenden Trends von Elektroautos und Hybridfahrzeugen zu erfüllen. Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation mit höherer Dichte verfügen über neuartige Anodenmaterialien. Diese Batterien haben das Potenzial, eine höhere Energiekapazität und eine bessere Zyklenfestigkeit aufzuweisen als herkömmlicher Graphit. Derzeit wurden verschiedene Prälithiierungsmethoden zur Kompensation der anfänglichen irreversiblen Kapazität der Anode gefunden. Groß angelegte kommerzielle Anwendungen wurden jedoch noch nicht entwickelt. Sehen Sie sich eine Liste der 12 Länder an, die weltweit am meisten Lithium produzieren.

Firmen wie Tesla, Inc. (NASDAQ:TSLA), Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (NYSE:TSM) und General Motor Company (NYSE:GM) unterstützen die Entwicklung neuer Batterietechnologien wie diese.

Bei Lithium-Schwefel-Batterien besteht die positive Elektrode aus Schwefel und die negative Elektrode aus metallischem Lithium. Die Zellspannung ist vergleichsweise niedriger als bei Lithium-Ionen-Zellen und beträgt etwa 2 V.

Diese Batterien haben eine um ein Vielfaches höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. Li-S haben spezifische Energien in der Größenordnung von 550 Wh/kg. Im Gegensatz dazu haben herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien eine Reichweite von 150–260 Wh/kg.

Der in Lithium-Schwefel-Batterien als Kathode verwendete Schwefel ist günstiger als das in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendete Kobalt. Aufgrund ihrer größeren Energiespeicherung und Kosteneffizienz werden diese Batterien in Zukunft stärker nachgefragt.

Lithium-Schwefel-Batterien haben einen großen Nachteil: Sie sind für etwa 1000 Ladezyklen wiederverwendbar, während Lithium-Ionen-Batterien 2000 bis 3000 Mal wieder aufgeladen werden können. Im Jahr 2017 wurden Lithium-Schwefel-Batterien mit mehr als 1500 Lade- und Entladezyklen vorgestellt, ihr Lebensdauertest im kommerziellen Maßstab mit magerem Elektrolyt muss jedoch noch nachgewiesen werden.

Eine Salzwasserbatterie verfügt über eine konzentrierte Salzlösung als Elektroden. Die Wassermoleküle ziehen die Natrium- und Chloridionen auseinander und machen sie frei schwebend. Beim Laden der Batterie wird der Lösung Natrium entzogen und das entzogene Salzwasser mit darin gelöstem Sauerstoff entladen. Dieses fungiert als Oxidationsmittel zur Stromerzeugung.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwenden diese Batterien keine brennbaren Elektrolyte, wodurch sie viel sicherer und einfacher herzustellen, zu verwenden und zu recyceln sind. Forscher haben herausgefunden, dass Kochsalzlösung eine elektrochemische Stabilität von bis zu 2,6 Volt aufweist. Salzwasserbatterien können während ihrer Lebensdauer 5000 Zyklen lang aufgeladen werden. Diese Batterien können jedoch über die angegebenen Zyklen hinaus verwendet werden, da sie brennbar und nicht explosiv sind.

Dank ihrer hohen Energiedichte können sie elektronische Geräte über einen längeren Zeitraum mit Strom versorgen. Um diese Dichte zu erreichen, müssen die Batterien jedoch größer gebaut werden und erfordern mehr Materialien. Dies wiederum erhöht die Produktionskosten und die Größe der Salzwasserbatterien. Daher werden diese Batterien nicht kommerziell genutzt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithiumbatterien, die flüssige und polymere Gelelektrolyte verwenden, verwenden Festkörperbatterien feste Elektroden und einen festen Elektrolyten aus Keramik wie Oxiden, Glas und Sulfiden usw. Diese Batterien haben eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien und kann bis zu sieben Mal aufgeladen werden, was einer Lebensdauer von zehn Jahren entspricht.

Festkörperbatterien können den CO2-Fußabdruck eines Elektrofahrzeugs um 24 % verringern. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verwendung zusätzlicher Materialien in diesen Batterien den CO2-Fußabdruck eines Elektrofahrzeugs um weitere 39 % reduzieren kann. Sie werden auch in Herzschrittmachern, RFID-Tags und tragbaren Geräten verwendet.

Toyota Motor gilt als führend bei Patenten für Festkörperbatterien. Derzeit sind Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterien nicht kommerziell erhältlich, werden aber voraussichtlich ab 2025 in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Darüber hinaus werden Festkörperbatterien von BMW und Ford in Elektrofahrzeugen getestet. Wichtige Unternehmen auf dem Halbleitermarkt sind Robert Bosch, Cymbet, BrightVolt, Samsung SDI, QuantumScape, SolidEnergy Systems und Toyota Motor Corporation usw.

Kobalt, ein Schlüsselelement bei der Herstellung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien, gilt als teures Metall. Darüber hinaus befinden sich 50-60 % der weltweiten Kobaltressourcen im politisch instabilen Kongo (DRC) und werden unter fragwürdigen Arbeitsbedingungen abgebaut. Kobaltfreie Batterien bieten eine Lösung für dieses Problem, indem sie alternative Materialien als Kathode in Lithium-Ionen-Batterien verwenden.

Zu den kobaltfreien Lithium-Ionen-Chemikalien gehören Lithiumeisenphosphat und Lithiumtitanat. Mangan und Nickel werden auch als Elektrodenmetalle für kobaltfreie Batterien verwendet. Diese Alternativen sind kostengünstiger als Standardbatterien auf Kobaltbasis. Ionenbatterien auf Nickelbasis haben eine höhere Energiedichte als Batterien auf Kobaltbasis, was bedeutet, dass sie weniger Platz verbrauchen und mehr Energie haben. Kobaltfreie Batterien sind außerdem weniger giftig für die Umwelt.

Tesla, ein großer Hersteller von Elektrofahrzeugen, gab an, dass fast alle im ersten Quartal produzierten Autos kobaltfreie Eisenphosphatbatterien verwendeten. SVOLT, ein weiterer Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien, stellt kobaltfreie Batterien aus Nickel und Mangan her. Das vom Unternehmen verwendete Kathodenmaterial enthält 75 % Nickel und 25 % Mangan.

Unternehmen wie Tesla, Inc. (NASDAQ:TSLA), Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (NYSE:TSM) und General Motor Company (NYSE:GM) unterstützen die Entwicklung neuer Batterietechnologien wie diese.

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Offenlegung. Keiner. „10 Most Advanced Battery Technologies That Will Power The Future“ wurde ursprünglich auf Insider Monkey veröffentlicht.

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