Lithium-Ionen, Natrium-Ionen, Halbfestkörper: Was sind die Unterschiede?

Lithium-Ionen, Natrium-Ionen, Halbfestkörper: Was sind die Unterschiede?

Auf dem Batteriemarkt, der immer noch von Lithium-Ionen dominiert wird, entstehen neue Chemikalien, die neue Herausforderungen in Bezug auf Leistung, Sicherheit und Materialverfügbarkeit stellen.

1. Lithium-Ionen: verschiedene Technologien für verschiedene Anwendungen

Lithium-Ionen sind keine einzige Technologie. Es umfasst verschiedene Varianten, die hauptsächlich Lithium verwenden, darunter:

• LFP (Lithiumeisenphosphat)

• NMC (Nickel-Mangan-Kobalt)

• LTO (Lithiumtitanat)

• NCA (Nickel-Kobalt-Aluminium)

• LCO (Lithiumkobaltoxid)

Unter den Lithium-Ionen-Chemikalien dominieren LFP und NMC aufgrund ihrer Leistung und Vielfältigkeit den Markt. Hier sind ihre Hauptmerkmale:

Diese Unterschiede innerhalb derselben Technologie liegen hauptsächlich in der Zusammensetzung der Kathoden zusammen, ihren Parametern und dem Sicherheitsniveau der Batterie.

Risiken im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Batterien haben ein klassisches Risikoprofil:

• Externes kurzschließen ist die Hauptgefahr

• Es gibt auch interne chemische Risiken die zu thermischen Ausreißern führen

Dieses Phänomen hängt von den vorhandenen und brennenden flüssigen Elektrolyten zusammen, die unter bestimmten Bedingungen auftreten.

2. Natrium-Ion: eine vielversprechende Alternative

Auch bei Lithium-Ionen basiert die Natrium-Ionen-Technologie auf mehreren physikalischen Prozessen, die für spezifische Eigenschaften sorgen.

Die Wahl, Natrium zu verwenden, hängt von seiner Häufigkeit ab und bietet Potenzial zur langfristigen Kostensenkung, obwohl diese Zellen derzeit teurer sind als ihre Lithium-Ionen-Gegenstücke.

Im Vergleich zu Lithium-Ionen zeichnen sie sich aus durch:

• Niedrigere Spannung Bereiche (1,5 — 4,2 V)

• Eine interessante theoretische spezifische Kapazität, insbesondere für PBA Chemie (preußische blaue Analoga, ~170 mAh/g), analog der LFP-Chemie (~165 mAh/g)

• Die Möglichkeit, die Spannung auf 0 V zu senken (mit Passivierungsgefahr bei längerer Lagerung)

• Ein thermisch stabiler Elektrolyt (NaPF) im Vergleich zu dem in Lithium-Ionen verwendeten Elektrolyt (LiPF), mit einer um 20 bis 30 °C höheren Zersetzungstemperatur, wodurch der thermische Durchfluss verzögert wird.

Unter den bereits kommerzialisierten Natrium-Ionen-Technologien finden wir:

• NFPP (Natriumeisenphosphat-Phospho-Oxalat)

• NFM (Natriumeisenmangan)

• NVPF (Natriumvanadiumphosphatfluorid)

Ihre Hauptmerkmale sind:

Diese Werte zeigen, dass Natrium-Ionen-Zellen auch weniger Energie als Lithium-Ionen-Zellen haben, aber der Weg für wettbewerbsfähige Lösungen, insbesondere in Anwendungen, mit Kosten, Sicherheit und Materialverfügbarkeit für die Energiedichte.

3. Halbfestkörper: erhöhte Sicherheit

Diese soliden Technologien lassen sich in drei verschiedene Kategorien einteilen: Halbfeste Stoffe, Quasi-Feststoffe, und Alle Feststoffe, bezogen auf die Menge der verwendeten flüssigen Elektrolyte. Aufgrund eines Sprachmissbrauchs wird der Begriff All-Solid häufig für all diese Technologien verwendet. Allerdings wird derzeit nur die Semi-Solid-Technologie kommerzialisiert.

Die Semi-Solid-Technologie basiert auf den gleichen Komponenten wie Lithium-Ionen-Batterien. Der wesentliche Unterschied liegt in der deutlichen Reduzierung des flüssigen Elektrolyts:

• Lithium-Ionen : ~ 25% des Gesamtwerts

• Halb fester Körper : 5— 10%

• Quasi-Festkörper : < 5%

• Alle Feststoffe : 0%

Durch die Verringerung der Menge an flüssigem Elektrolyt wird das Risiko eines thermischen Ausreißers reduziert, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Halbfestkörperzellen sind auch eine vielversprechende Lösung für Anwendungen, bei denen Sicherheit eine wichtige Rolle spielt.

Fazit: Eine Zukunft voller Innovationen

Obgleich der Batterienmarkt sich rasant weiterentwickelt, entstehen heute neue Technologien, um wichtige Probleme im Zusammenhang mit Leistung, Sicherheit und Haltbarkeit zu lösen. Wenn Lithium-Ionen nach wie vor dominieren, nehmen andere Lösungen Gestalt an.

Neben Natrium-Ion und Semi-Solid werden derzeit mehrere andere Technologien im Labormaßstab erforscht, darunter:

• Kalium-Ion (KIB)

• Lithium-Schwefel (Li-S)

• Vollständig

• Lithium-Luft (Li-O₂)

Diese Innovationen, die derzeit noch experimentell sind, können in Zukunft erhebliche Vorteile bieten: erhöhte Sicherheit, sehr hochenergetische Dichtungen oder verbesserte Zykluseigenschaften. Obwohl sie sich derzeit auf das Laborstadium beschränken, bergen sie ein erhebliches Potenzial für die Zukunft.

Bei SIG Energy Technology, verfolgen wir diese Entwicklungen aufmerksam. Wir sind bereit, diese neuen Technologien zu testen, um die Bedürfnisse von morgen zu antizipieren und den Weg für die nächste Generation von Batterien zu ebnen.

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