Die wichtigsten Batterieinnovationen im Jahr 2024

Batterien sind eine entscheidende Technologie, die unsere moderne, elektronisch geprägte Welt erst möglich macht. Von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen sind leistungsstarke und sichere Batterien eine wesentliche Komponente für Innovationen. Da die Nachfrage nach Batterien für verschiedene Anwendungen steigt, verbessern Forscher kontinuierlich die Batteriedesigns, um sie leichter, langlebiger, schneller ladend und energieeffizienter zu machen.

Mehrere neue Batterietechnologien werden im Jahr 2024 voraussichtlich große Veränderungen mit sich bringen. Lassen Sie uns einige der vielversprechendsten Batterieentwicklungen untersuchen, die in naher Zukunft allgegenwärtig sein könnten.

Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ionen) sind seit Jahrzehnten die dominierende Akkutechnologie. Sie bieten eine hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung und hohe Zellspannung. Allerdings weisen Lithium-Ionen-Akkus auch Nachteile auf, wie z. B. eine mit der Zeit nachlassende Kapazität und Sicherheitsbedenken.

Forscher arbeiten weiterhin an der Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien in mehreren wichtigen Bereichen:

• Höhere Energiedichte: Durch den Einsatz hochkapazitiver Kathodenmaterialien wie Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) oder Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA) steigern Wissenschaftler die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien stetig. Eine höhere Energiedichte bedeutet mehr Energiespeicherkapazität pro Volumeneinheit.
• Verbesserte Sicherheit: Komponenten wie feste Polymerelektrolyte und Keramikbeschichtungen für Kathoden- und Anodenmaterialien verringern die Entflammbarkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Sicherheit hat weiterhin höchste Priorität.
• Kostensenkung: Skaleneffekte und Prozessverbesserungen senken die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien. Die Preise sind im letzten Jahrzehnt bereits drastisch gesunken. Weitere Kostensenkungen würden den Masseneinsatz in mehr Anwendungen ermöglichen.

Dank kontinuierlicher Verbesserungen werden Lithium-Ionen-Batterien ihre führende Rolle in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen und der Netzspeicherung behalten. Ihre Energiedichte und Sicherheit werden weiter steigen, während die Kosten sinken.

Festkörperbatterien

Feststoffbatterien ersetzen den herkömmlichen flüssigen Elektrolyten durch einen Feststoffelektrolyten und ermöglichen dadurch erhebliche Verbesserungen bei Energiedichte, Sicherheit, Kosten und Schnellladefähigkeit.

Obwohl sich Festkörperbatterien noch in der Anfangsphase der Kommerzialisierung befinden, bieten sie ein enormes Potenzial, darunter:

• Höhere Energiedichte: Festelektrolyte ermöglichen die Verwendung von Lithiummetallanoden anstelle der in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Graphitanoden. Dadurch könnte die Energiedichte nahezu verdoppelt werden.
• Schnelleres Laden: Festkörperbatterien laden bis zu zehnmal schneller als Lithium-Ionen-Batterien und bleiben dabei kühl. Schnelles Laden eröffnet neue Anwendungsfälle.
• Verbesserte Sicherheit: Da Festkörperbatterien keine brennbaren Flüssigkeiten enthalten, wird die mit Lithium-Ionen-Batterien verbundene Brandgefahr vermieden.
• Geringere Kosten: Feste Elektrolyte sind grundsätzlich sicherer als flüssige Elektrolyte, wodurch die strengen Verpackungsanforderungen reduziert werden. Einfachere Batteriepack-Designs senken zudem die Kosten.

Autohersteller und Technologieunternehmen liefern sich ein Wettrennen um die Marktführerschaft. Toyota plant, bis 2025 einen Prototypen eines Elektroautos mit Festkörperbatterie vorzustellen. Auch BMW und Ford entwickeln Festkörperbatterien und streben die Produktion noch in diesem Jahrzehnt an. Samsung glaubt, dass Festkörperbatterien bis 2030 Smartphones mit Strom versorgen könnten.

Wenn technische Herausforderungen wie die Verbesserung der Lebensdauer bewältigt werden, könnten Festkörperbatterien in den nächsten fünf bis zehn Jahren Lithium-Ionen-Batterien in Hochleistungsanwendungen ersetzen. Ihre Vorteile hinsichtlich Energiedichte, Sicherheit, Kosten und Ladefähigkeit machen sie zu einer äußerst vielversprechenden Batterietechnologie.

Natrium-Ionen-Batterien

Lithium ist ein seltener und geografisch konzentrierter Rohstoff. Die Erforschung von Batteriechemikalien mit häufiger vorkommenden Materialien wie Natrium kann die Lieferkettenstabilität verbessern und Kosten senken.

Natrium-Ionen-Batterien funktionieren ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien, ersetzen jedoch Lithium durch Natrium an der Anode. Zu den wichtigsten Vorteilen von Natrium-Ionen-Batterien gehören:

• Niedrigere Kosten: Natrium ist über 1.000-mal häufiger als Lithium, was die Materialkosten senkt. Die Gesamtkosten könnten bis zu 25 % niedriger sein als bei Lithium-Ionen-Batterien.
• Verbesserte Sicherheit: Der Ersatz von Lithiummetall durch Natriummetall verringert das Entflammungsrisiko. Natrium-Ionen-Batterien arbeiten mit etwas niedrigeren Spannungen, was ebenfalls die Sicherheit verbessert.

Trotz der vielversprechenden Vorteile weist die Natrium-Ionen-Technologie im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien Einschränkungen hinsichtlich der Energiedichte auf. Laufende Forschungen an Anoden- und Kathodenmaterialien zielen darauf ab, die Energiedichte zu verbessern und gleichzeitig die Kosten- und Sicherheitsvorteile der Natrium-Ionen-Technologie zu erhalten.

Natrium-Ionen-Batterien werden derzeit in Nischenanwendungen wie der stationären Energiespeicherung eingesetzt. Steigt die Energiedichte bei sinkenden Kosten, könnte sich die Verbreitung beschleunigen, insbesondere bei großflächigen stationären Speichern oder Notstromaggregaten, bei denen die Kosten eine entscheidende Rolle spielen.

Natrium-Ionen-Batterien werden die Lithiumtechnologie zwar nicht vollständig verdrängen, bieten aber die Chance, in bestimmten Segmenten Marktanteile zu gewinnen und die Angebotsvielfalt zu verbessern. Aufgrund ihres Kosten- und Sicherheitsprofils sind sie eine Batteriechemie, die es zu beobachten gilt.

Batterien mit gravimetrischer Energiedichte

Für Anwendungen wie Drohnen und Flugzeuge ist Gewichtsminimierung unerlässlich. Die Entwicklung von Batterien mit extrem hoher gravimetrischer Energiedichte könnte größere Flugreichweiten und neue Anwendungsfälle ermöglichen.

Eine neue Batterietechnologie namens Lithium-Kohlenstofffluorid (LiCF) verspricht eine bis zu fünfmal höhere gravimetrische Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. Auch andere Lithium-Luft- und Lithium-Schwefel-Chemikalien zielen auf eine Energiedichte von über 1.000 Wh/kg ab.

Zu den wichtigsten Eigenschaften dieser gravimetrischen Batterien gehören:

• Ultrahohe Energiedichte: Neue Batteriedesigns und -chemikalien ermöglichen es, mehr Energie pro Gewichtseinheit zu packen, was für Fluganwendungen entscheidend ist.
• Hohe Kosten: Diese Batterien erfordern exotische Materialien und Herstellungstechniken, was sie derzeit für den allgemeinen Einsatz zu teuer macht.
• Frühes Entwicklungsstadium: Die meisten Technologien für ultrahochdichte Batterien befinden sich noch in Forschungs- und Entwicklungslaboren und sind nur begrenzt kommerziell nutzbar. Doch der Fortschritt beschleunigt sich.

Wenn technische Herausforderungen in Bezug auf Material, Herstellung und Stabilität überwunden werden können, könnten Batterien mit hoher gravimetrischer Energiedichte die elektrische Luftfahrt antreiben und die urbane Luftmobilität revolutionieren. Ihr Potenzial, die Reichweite von Drohnen zu erhöhen, bietet auch zahlreiche kommerzielle Anwendungsmöglichkeiten.

Obwohl es sich noch um eine neue Technologie handelt, lohnt es sich, gravimetrische Batterien im Auge zu behalten, da sie ein enormes Potenzial haben, die Elektrofliegerei grundlegend zu verändern. Schon geringe Verbesserungen der Energiedichte pro Gewichtseinheit könnten den Einsatz in der Luftfahrt vorantreiben.

Abschluss

Von schrittweisen Verbesserungen an Lithium-Ionen-Batterien bis hin zu neuen Technologien wie Festkörper- und Natrium-Ionen-Batterien entwickelt sich die Batterielandschaft rasant. Mit steigender Nachfrage muss die Batterietechnologie auf mehreren Ebenen weiterentwickelt werden – durch Verbesserung von Sicherheit, Energiedichte, Kosten, Ladegeschwindigkeit und Versorgungssicherheit.

Spannende Innovationen in Materialwissenschaft, Fertigung und Batteriemanagement werden zu leistungsstärkeren, günstigeren und sichereren Batterien führen. Diese Entwicklungen eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten und beschleunigen die Abkehr von fossilen Brennstoffen im Transportwesen, bei Verbrauchergeräten und in der Stromversorgung.

Die 2020er Jahre zeichnen sich als ein transformatives Jahrzehnt für die Batterietechnologie ab. Mehrere vielversprechende neue chemische Verfahren könnten in den kommenden Jahren Lithium-Ionen-Batterien verdrängen. Es wird spannend zu beobachten sein, welche neuen Technologien den Sprung vom Labor in die Massenproduktion schaffen. Eines ist sicher: Es stehen noch viele weitere Innovationen im Batteriebereich bevor.