Haben Sie nicht zu viele Phantasien über Festkörperbatterien.

„Je größer die Erwartungen, desto größer die Enttäuschung.“ Dieser Satz lohnt es uns, ihn in vielen Situationen genau zu überlegen.

Bei einer Sache, die eigentlich nicht schlecht ist, wenn wir jedoch übermäßig hohe Erwartungen an sie haben, werden wir, sobald sie umgesetzt ist und wir auch nur die geringsten Mängel entdecken, einen großen Gefühlsunterschied verspüren, auch wenn die Sache an sich gar nicht schlecht ist.

Dies ist die menschliche Natur, und die menschliche Natur beeinflusst den Markt, insbesondere den Kapitalmarkt.

Die Festkörperbatterie ist in letzter Zeit sehr beliebt. Immer wieder gibt es neue technologische Durchbrüche. Ich habe diese Entwicklung auch schon lange beobachtet. Als Besitzer eines Elektroautos spüre ich jedes Mal, wenn ich von diesen technologischen Fortschritten erfahre, sogar Reue, dass ich mein Auto zu früh gekauft habe.

Aber die Frage ist: Ist die Festkörperbatterie wirklich so wunderbar? Kann sie wirklich alle Erwartungen erfüllen?

Die Antwort befindet sich eigentlich in einem Zustand, der sowohl ja als auch nein beinhaltet.

Wir sagen ja, weil die Festkörperbatterie ihre eigenen Vorzüge hat, die äußerst bemerkenswert und unersetzlich sind.

Wir sagen nein, weil ihre Nachteile und Engpässe ebenfalls nicht vernachlässigt werden können, und nicht alle davon technischer Natur sind.

Meiner Meinung nach ist die Festkörperbatterie sicherlich eine gute Sache, aber wir haben in Bezug auf sie auch viele unrealistische Erwartungen gehegt. Wir müssen die Wertigkeit der Festkörperbatterie aus einer umfassenderen und objektiveren Perspektive bewerten.

Kurz gesagt: Die Festkörperbatterie lohnt sich, aber ich empfehle, nicht zu viele Phantasien an sie zu knüpfen.

Der wesentliche Unterschied zwischen Festkörper- und Flüssigbatterien

Bevor wir über Festkörperbatterien diskutieren, müssen wir uns zunächst mit der Struktur und dem Prinzip von Batterien vertraut machen. Andernfalls wird es später schwierig, viele Dinge zu verstehen.

Die Struktur einer Lithiumbatterie ist nicht kompliziert: Auf der einen Seite ist die positive Elektrode, die normalerweise aus lithiumhaltigen Verbindungen wie Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganoxid, Lithiumeisenphosphat und ternären Materialien (Lithiumnickelkobaltmanganoxid) hergestellt wird. Auf der anderen Seite ist die negative Elektrode. Das am häufigsten verwendete Material ist Graphit sowie das neuere Siliziumbasierte Material. Zwischen der positiven und der negativen Elektrode befinden sich der Elektrolyt und die Separatorfolie. Der Elektrolyt ist für die Übertragung von Lithiumionen verantwortlich, während die Separatorfolie die positive und negative Elektrode trennt und Kurzschlüsse verhindert.

Beim Laden treibt die externe Spannung die Lithiumionen von der positiven Elektrode weg. Sie werden durch den Elektrolyten übertragen, durchdringen die Separatorfolie und werden schließlich in das Material der negativen Elektrode eingebettet. Gleichzeitig fließen die Elektronen über die externe Leitung von der negativen zur positiven Elektrode.

Beim Entladen, da auf der Seite der positiven Elektrode keine externe Spannung mehr anliegt, fließen die Lithiumionen von der negativen Elektrode über den Elektrolyten und die Separatorfolie zurück zur positiven Elektrode. Gleichzeitig fließen die Elektronen über die externe Leitung aus der positiven Elektrode heraus, wodurch ein Strom entsteht, den wir nutzen können.

Ob Festkörper- oder Flüssigbatterie, die obigen Prinzipien gelten für beide. Daraus ist ersichtlich, dass es auf der untersten Ebene keinen großen Unterschied zwischen Festkörper- und Flüssigbatterien gibt.

Der Unterschied zwischen den beiden liegt in der Form des Elektrolyten. Die Flüssigbatterie verwendet natürlich einen flüssigen Elektrolyten, der normalerweise aus einer Mischung von „Lithiumsalz + organischem Lösungsmittel“ besteht. Die Festkörperbatterie hingegen verwendet feste Materialien, wobei es verschiedene technologische Ansätze wie Sulfide, Oxide und kondensierte Zustände gibt.

Somit ist die Ursache aller Unterschiede zwischen Festkörper- und Flüssigbatterien eigentlich die unterschiedliche Auswirkung, die durch die verschiedenen Formen des Elektrolyten auf mikroskopischer Ebene entsteht.

In einer Flüssigbatterie sind beide Elektroden in den flüssigen Elektrolyten getaucht. Auf mikroskopischer Ebene stellen wir fest, dass die Elektroden der Flüssigbatterie vollständig vom Elektrolyten benetzt sind und sich in enger Berührung miteinander befinden. Die Kanäle für die Lithiumionen sind somit frei von Hindernissen.

Daraus resultiert, dass die Flüssigbatterie eine höhere „Rateleistung“ haben kann, was bedeutet, dass sie schneller aufgeladen und mit einer höheren Entladungsleistung betrieben werden kann.

Genauso führt die Tatsache, dass die Elektroden vollständig vom Elektrolyten benetzt sind, dazu, dass zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten ständig Reaktionen ablaufen. Dies schränkt die Auswahl an Elektrodenmaterialien erheblich ein. Was die negative Elektrode betrifft, wissen die Wissenschaftler zwar, dass eine Lithiummetall-Elektrode eine höhere Energiedichte ermöglichen würde. Da jedoch die Lithiummetall-Elektrode ständig mit dem Elektrolyten reagiert, müssen sie in der Praxis auf die schwächere, aber stabilere Graphit-Elektrode zurückgreifen.

Außerdem ist ein Teil des Grundes, warum wir Flüssigbatterien als unsicher empfinden, der flüssige Elektrolyt. Lithiumsalze selbst sind nicht brennbar oder explosiv, aber die organischen Lösungsmittel im Elektrolyten (Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat usw.) sind äußerst gefährliche Chemikalien.

Wenn eine Batterie in einen thermischen Überlauf gerät, werden im Inneren der Batterie eine Reihe von Kettenreaktionen ausgelöst. Es reicht sogar, wenn die Temperatur nur leicht über 100 Grad Celsius steigt, um diese „Zerstörungskette“ in Gang zu setzen. Bei etwa 110 Grad Celsius beginnt die Graphit-Elektrode mit dem Elektrolyten zu reagieren. Bei etwa 150 Grad Celsius schmilzt die Separatorfolie, was zu einem Kurzschluss führt und die Temperatur rapide ansteigen lässt. Die organischen Lösungsmittel im Elektrolyten zersetzen sich unter Hitzeeinwirkung zu brennbaren und explosiven Gasen wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan und Kohlenwasserstoffen. Das Material der positiven Elektrode setzt bei hoher Temperatur große Mengen Sauerstoff frei. Wenn die Temperatur nur ein wenig höher wird, kann dies zu heftigen Bränden oder sogar Explosionen führen.

In einer Festkörperbatterie ist die Situation genau umgekehrt. Die Vorzüge und Nachteile der Flüssigbatterie führen gerade zu den Nachteilen und Vorzügen der Festkörperbatterie.

In einer Festkörperbatterie scheint es, dass die festen positiven und negativen Elektroden sowie der feste Elektrolyt eng aneinander anliegen. Tatsächlich handelt es sich jedoch nur um zahlreiche „Punktkontakte“, und es kann keine „Flächenkontakte“ wie in einer Flüssigbatterie gebildet werden. Die Kanäle für die Lithiumionen sind also uneben und nicht frei von Hindernissen (sogenannte Fest-Fest-Grenzflächenimpedanz).

Der Vorteil dieser Struktur ist deutlich: Da die Komponenten nicht eng aneinander anliegen und alle fest sind, sind die Grenzflächenreaktionen zwischen dem Elektrolyten und den Elektroden weniger aktiv. Somit können verschiedene außergewöhnliche Materialien verwendet werden, und die Energiedichte kann theoretisch sehr hoch sein.

Der Nachteil ist jedoch ebenfalls offensichtlich. Auch aufgrund der fehlenden engen Anlage besteht zwischen dem festen Elektrolyten und den Elektroden normalerweise ein schlechter Kontakt, wenn keine technischen Maßnahmen wie Druckanwendung ergriffen werden. Die Rateleistung ist daher sicherlich nicht so gut, und die Ladegeschwindigkeit und die Entladungsleistung werden beeinträchtigt. Darüber hinaus ist die Ionenleitfähigkeit des festen Elektrolyten deutlich geringer als die des flüssigen Elektrolyten, was dazu führt, dass die Wanderung der Ionen in einer Festkörperbatterie wie ein Stau auf der Straße ist.

Natürlich ist die Festkörperbatterie in Bezug auf die Sicherheit sehr gut. Da kein flüssiger Elektrolyt benötigt wird, ist sie von Natur aus sicherer als die Flüssigbatterie. Sowohl die Oxid-Elektrolyten als auch die kondensierten Elektrolyten in der Festkörperbatterie haben eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit. Die Oxid-Elektrolyten können sogar einer Temperatur von 600 Grad Celsius standhalten und zeigen somit eine außergewöhnliche Sicherheit.

Was sind die echten Vor- und Nachteile der Festkörperbatterie?

Nach dem obigen Inhalt scheint es, dass Festkörper- und Flüssigbatterien beide ihre Stärken haben und nicht schlecht sind.

Tatsächlich hat die Flüssigbatterie bereits ihr Bestes gegeben, und die Zukunft gehört der Festkörperbatterie. Die Flüssigbatterie ist wie ein erfahrener Kämpfer, der zwar eine hervorragende Kampfkunst beherrscht, aber schon in den Abendstunden seines Lebens ist und Müdigkeit zeigt. Die Festkörperbatterie hingegen ist wie ein junger, energiegeladener Kämpfer, der zwar noch nicht so erfahren ist, aber die Zeit auf seiner Seite hat und unaufhaltsam voranschreitet.

Im Vergleich zur Flüssigbatterie liegt der wirklich unersetzliche Vorteil der Festkörperbatterie nicht in der Sicherheit, sondern in ihrem hohen Potenzial für eine hohe Energiedichte und der daraus resultierenden Wirtschaftlichkeit.

Es ist allgemein bekannt, dass die maximale Energiedichte einer Flüssigbatterie bei etwa 300 Wh/kg liegt. Die Energiedichte einer üblichen ternären Lithiumbatterie beträgt etwa 200 Wh/kg, und die einer Lithiumeisenphosphatbatterie nur etwa 120 Wh/kg. Für eine Festkörperbatterie ist 300 Wh/kg nur der Anfang, und 400 Wh/kg ist eher der Durchschnittswert in der Branche. Die beiden Giganten CATL und BYD streben derzeit eine Energiedichte von 500 Wh/kg an.

Das bedeutet, dass Sie für eine Kilowattstunde Strom etwa 5 Kilogramm einer ternären Lithiumbatterie oder über 8 Kilogramm einer Lithiumeisenphosphatbatterie benötigen würden, wenn Sie sich für die Flüssigbatterie entscheiden. Bei einer Festkörperbatterie hingegen benötigen Sie nur etwas über 2 Kilogramm.

Die meisten Traktionsbatterien in reinen Elektroautos haben inzwischen eine Kapazität von 100 Kilowattstunden. Das Gewicht der Flüssigbatteriepacks beträgt dabei bis zu 500 Kilogramm oder sogar über 1 Tonnen. Die Reichweite liegt in der Regel bei etwa 700 Kilometern.

Batteriepack eines bestimmten Automodells

Bei Pkw hat das Gewicht der Batterie bereits seine Grenzen erreicht. Die Angst vor der Reichweite hat sich jedoch nicht gelindert, sondern hat sich sogar verschärft. Wenn die Batterie größer wird, wird auch das Eigengewicht des Autos größer. Von der Fahrwerkskonstruktion bis zur Federung, von der Fahrbarkeit bis zur Sicherheit – alle Systeme werden durch das größere Batteriepack beeinträchtigt.

Der Grenznutzen besagt, dass der Nutzen abnimmt, wenn das Batteriepack größer wird. Die Erhöhung der Batteriekapazität kann die negativen Auswirkungen der vergrößerten Größe und des erhöhten Leergewichts nicht ausgleichen.

Wenn man hingegen eine Festkörperbatterie verwendet, sieht die Situation ganz anders aus.

Ein Batteriepack mit einer Kapazität von 100 Kilowattstunden hat bei der Festkörperlösung ein Gewicht von nur etwa 200 Kilogramm. Wenn man es wie bei der Flüssigbatterie auf über 1 Tonne bringt, erhält man eine Superbatterie mit einer Kapazität von 500 Kilowattstunden. Selbst wenn man einen Energieverbrauch von 18 Kilowattstunden pro 100 Kilometern annimmt, würde die Reichweite über 2.700 Kilometer betragen.

Was ist noch die Angst vor der Reichweite? Sie existiert einfach nicht.

Ich kann mir für 500 Yuan die Batterie aufladen und mit meinem Auto von Peking nach Wuhan und zurück fahren.

Die starke Wirtschaftlichkeit, die aus dieser hohen Energiedichte resultiert, ist der