Die Entwicklung von Elektrofahrzeugbatterien: Von Blei-Säure- zu Lithium-Ionen-Batterien

Einführung

Die Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) hat im Laufe der Jahre einen bemerkenswerten Wandel vollzogen, und im Mittelpunkt dieser Entwicklung steht die Batterietechnologie, die diese Fahrzeuge antreibt. Dieser Artikel unternimmt eine Zeitreise durch die Entwicklung der Batterien für Elektrofahrzeuge, von den Anfängen der Blei-Säure-Batterien bis zur modernen Ära der Lithium-Ionen-Technologie.

Blei-Säure-Batterien: Die Pioniere

Im späten 19. Jahrhundert kamen Blei-Säure-Batterien als die ersten weit verbreiteten Batterien für Elektrofahrzeuge auf. Diese Batterien nutzten eine chemische Reaktion zwischen Bleidioxid (positive Platte), Bleischwamm (negative Platte) und einem Schwefelsäureelektrolyten zur Erzeugung elektrischer Energie. Sie spielten in der Anfangszeit eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen.

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Abbildung 1. Typischer Aufbau von Blei-Säure-Batterien

Allerdings unterlagen diese frühen Elektrofahrzeuge aufgrund der damaligen Technologie erheblichen Einschränkungen. Die begrenzte Energiedichte und Reichweite verhinderten, dass sie sich für lange Fahrten oder Fahrten zwischen Städten eigneten. Außerdem gab es in der Anfangszeit praktisch keine Ladeinfrastruktur, und das Aufladen war ein zeitaufwändiger Prozess. Dieser Mangel an Komfort schränkte die Praktikabilität von E-Fahrzeugen weiter ein.

Trotz dieser Probleme werden Blei-Säure-Batterien auch heute noch verwendet. Sie werden häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. als Startbatterien für Kraftfahrzeuge, für unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und für netzunabhängige erneuerbare Energiesysteme.

Nickel-Metallhydrid-Batterien: Ein Schritt nach vorn

Im frühen^20. Jahrhundert entwickelte Thomas Edison die Nickel-Eisen-Batterie. Diese wiederaufladbare Batterie basiert auf einer elektrochemischen Reaktion zwischen einer positiven Nickeloxidhydroxid-Elektrode (NiOOH), einer negativen Metallhydrid-Elektrode (MH) und einem alkalischen Elektrolyten. Obwohl Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH-Batterien) eine höhere Energiedichte und längere Reichweiten bieten, haben sie sich nicht als Standard für Elektrofahrzeuge durchgesetzt.

Lithium-Ionen-Batterien: Der Umbruch

Im 21. Jahrhundert vollzog sich mit der breiten Einführung von Lithium-Ionen-Batterien ein bemerkenswerter Wandel in der Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge. Sie verfügen über eine höhere Energiedichte, eine größere Reichweite und eine schnellere Aufladung, was sie zum Standard für moderne Elektrofahrzeuge macht. Während des Ladevorgangs bewegen sich Lithium-Ionen (Li+) durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode und speichern dabei Energie. In der Entladephase kehren diese Li+-Ionen zur Kathode zurück und erzeugen einen elektrischen Strom.

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Abbildung 2. Aufbau von Lithium-Ionen-Batterien

Li-Ionen-Batterien zeichnen sich durch ihre außergewöhnlichen Eigenschaften und ihre Vielseitigkeit aus. Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte, Nachhaltigkeit und eine niedrige Selbstentladungsrate aus und behalten ihre Ladung über längere Zeit. Die Kathode von Lithium-Ionen-Batterien besteht aus verschiedenen Materialien wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) für Unterhaltungselektronik, Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4 ) für Elektrofahrzeuge und Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM) oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Energie und Leistungsdichte.

Diese Vielseitigkeit ermöglicht den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in den verschiedensten Anwendungen, von Haushaltsgeräten bis hin zu Elektrofahrzeugen, und spornt zu laufenden Innovationen an, einschließlich Festkörperbatterien und Bemühungen zur Reduzierung von Kobalt, um ihre Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit weiter zu steigern.

Die Zukunft der EV-Batterien:

Die Entwicklung von EV-Batterien ist noch lange nicht abgeschlossen, und die Zukunft bietet spannende Perspektiven.

lFestkörperbatterien: Die Entwicklung von Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien stellt einen bedeutenden Sprung in der Batterietechnologie dar. Diese Batterien versprechen eine höhere Energiedichte, verbesserte Sicherheit und eine längere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigelektrolytbatterien.

lReduziertes Kobalt: Angesichts der anhaltenden ökologischen und ethischen Bedenken im Zusammenhang mit dem Kobaltabbau gibt es Bestrebungen, Kobalt in Lithium-Ionen-Batterien zu reduzieren oder ganz zu eliminieren. Diese Bemühungen zielen darauf ab, nachhaltigere und verantwortungsvollere Batteriechemien zu entwickeln und die mit der Kobaltgewinnung verbundenen ökologischen und sozialen Auswirkungen zu minimieren.

lSchnelles Aufladen: Die rasanten Fortschritte in der Schnellladetechnik revolutionieren die E-Fahrzeuge, indem sie das Aufladen so bequem machen wie das Betanken herkömmlicher Fahrzeuge. Die Schnellladeinfrastruktur wird weiter ausgebaut, wodurch sich die Ladezeiten erheblich verkürzen und eines der Haupthindernisse für die Einführung von E-Fahrzeugen beseitigt wird.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung der Batterien für Elektrofahrzeuge von bedeutenden Fortschritten geprägt war, wobei die Lithium-Ionen-Technologie derzeit den Markt dominiert. Da die Technologie weiter fortschreitet, verspricht die Zukunft der EV-Batterien eine noch höhere Energiedichte, schnelleres Aufladen und verbesserte Nachhaltigkeit.

Stanford Advanced Materials (SAM) ist ein führender Anbieter der Li-Ionen-Batterie-Familie. Senden Sie uns eine Anfrage, wenn Sie interessiert sind.

Referenz:

[1] Manhart, Andreas & Magalini, Federico & Hinchliffe, Daniel. (2018). End-of-Life Management of Batteries in the Off-Grid Solar Sector How to deal with hazardous battery waste from solar power projects in developing countries? Publikation im Auftrag von: GIZ Sektorvorhaben Konzepte für nachhaltige Abfallwirtschaft und Kreislaufwirtschaft; erstellt in Zusammenarbeit mit Energising Development (EnDev).

[2] Madian, M.; Eychmüller, A.; Giebeler, L. Current Advances in _TiO2-Based Nanostructure Electrodes for High Performance Lithium Ion Batteries. Batteries 2018, 4, 7. https://doi.org/10.3390/batteries4010007