Verschiedene Batteriesysteme, welche Chemie am vielversprechendsten ist

Aug 19 , 2019

Erfahren Sie mehr über verschiedene Batteriesysteme, erkunden Sie zukünftige Trends und entdecken Sie, welche Chemikalien am vielversprechendsten sind.

Laut The Freedonia Group, einem in Cleveland ansässigen Industrieforschungsunternehmen, wird die weltweite Nachfrage nach Primär- und Sekundärbatterien voraussichtlich jährlich um 7,7 Prozent wachsen und sich im Jahr 2019 auf 120 Milliarden US-Dollar belaufen. Das eigentliche Wachstum liegt bei sekundären (wiederaufladbaren) Batterien und Laut Frost & Sullivan machen Sekundärbatterien 76,4 Prozent des Weltmarktes aus, eine Zahl, die 2015 voraussichtlich auf 82,6 Prozent steigen wird. Die Nachfrage wird durch Mobiltelefone und Tablets getrieben. Frühere Schätzungen überschätzten die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und die Zahlen wurden inzwischen nach unten korrigiert.

Im Jahr 2009 machten Primärbatterien 23,6 Prozent des Weltmarktes aus und Frost & Sullivan prognostizierte einen Rückgang um 7,4 Prozent bis 2015. Nicht wiederaufladbare Batterien werden in Uhren, elektronischen Schlüsseln, Fernbedienungen, Spielzeug, Taschenlampen, Leuchtfeuern und militärischen Geräten verwendet Kampf.

Ein Überblick über die Batterietypen.

Batterien werden nach ihrer Chemie klassifiziert. Am häufigsten sind Systeme auf Lithium-, Blei- und Nickelbasis. Abbildung 1 veranschaulicht die Verteilung dieser Chemikalien. Mit einem Umsatzanteil von 37 Prozent ist Li-Ion die Batterie der Wahl für tragbare Geräte und den elektrischen Antriebsstrang. Es gibt heute keine anderen Systeme, die seine Dominanz gefährden.

Abbildung 1: Umsatzbeiträge verschiedener Batteriechemien

37 % Lithium-Ionen
20 % Blei-Säure, Starterbatterie
15 % Alkali, primär
8 % Blei-Säure, stationär
6 % Zink-Kohlenstoff, primär
5 % Blei-Säure, Deep-Cycle
3 % Nickel-Metallhydrid
3 % Lithium, primär
2 % Nickel-Cadmium
1 % Sonstiges

Bleisäure behauptet sich als robuste und wirtschaftliche Energiequelle für den Massengebrauch. Auch wenn Li-Ionen auf dem Blei-Säure-Markt Einzug halten, wächst die Nachfrage nach Blei-Säure-Batterien immer noch. Die Anwendungen sind unterteilt in Starterbatterien für Automobile, auch bekannt als SLI (20 %), stationäre Batterien zur Notstromversorgung (8 %) und zyklenfeste Batterien für die Mobilität auf Rädern (5 %) wie Golfautos, Rollstühle und Scherenhebebühnen .

Durch die hohe spezifische Energie und die lange Lagerung ist Alkali beliebter als das alte Kohlenstoff-Zink, das 1868 von Georges Leclanché erfunden wurde. Nickel-Metallhydrid (NiMH) spielt weiterhin eine wichtige Rolle, da es Anwendungen ersetzt, die zuvor von Nickel-Cadmium bedient wurden ( NiCd). Mit einem Marktanteil von 3 Prozent und einem Rückgang wird NiMH jedoch immer mehr zu einem untergeordneten Akteur.

Eine neue Batterieanwendung ist der elektrische Antriebsstrang für den persönlichen Transport. Batteriekosten, Langlebigkeit und Umweltaspekte bestimmen, wie schnell der Automobilsektor dieses neue Antriebssystem einführen wird. Fossile Brennstoffe sind billig, bequem und leicht verfügbar; Alternative Verkehrsmittel stoßen vor allem in Nordamerika auf heftigen Widerstand. Möglicherweise sind staatliche Anreize erforderlich, aber solche Eingriffe verzerren die tatsächlichen Energiekosten, decken die zugrunde liegenden Probleme mit fossilen Brennstoffen ab und dienen ausgewählten Lobbygruppen mit kurzfristigen Lösungen.

Neue Märkte, die das Batteriewachstum weiter ankurbeln, sind Elektrofahrräder und Speichersysteme für erneuerbare Energien, von denen Hausbesitzer, Unternehmen und Entwicklungsländer profitieren. Große Netzspeicherbatterien sammeln überschüssige Energie bei hoher Aktivität und überbrücken die Lücke, wenn die Einspeisung gering ist oder die Benutzernachfrage hoch ist.

Fortschritte bei Batterien

Batterien machen an zwei Fronten Fortschritte, was sich in einer höheren spezifischen Energie für längere Laufzeiten und einer verbesserten spezifischen Leistung für Hochstromlastanforderungen widerspiegelt. Die Verbesserung einer Eigenschaft einer Batterie stärkt möglicherweise nicht automatisch die andere und muss oft einen Kompromiss eingehen. Abbildung 2 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der spezifischen Energie in Wh/kg und der spezifischen Leistung in W/kg.

Die leistungsstärkste Batterie hinsichtlich spezifischer Energie und spezifischer Leistung ist die sekundäre Lithium-Metall-Batterie (Li-Metall). Eine frühe Version wurde in den 1980er Jahren von Moli Energy eingeführt, aber die Instabilität mit metallischem Lithium auf der Anode führte 1991 zu einem Rückruf. Festes Lithium neigt dazu, Metallfäden oder Dendriten zu bilden, die Kurzschlüsse verursachen. Weitere Versuche anderer Unternehmen, dieses Problem zu lösen, endeten mit der Einstellung der Entwicklungen.

Die einzigartigen Eigenschaften von Li-Metall veranlassen Hersteller, diese leistungsstarke Chemie noch einmal zu überdenken. Die Zähmung der Dendriten und das Erreichen des gewünschten Sicherheitsstandards können durch Mischen von metallischem Lithium mit Zinn und Silizium erreicht werden. Graphen wird auch als Teil eines verbesserten Separators ausprobiert. Graphen ist eine dünne Schicht aus reinem Kohlenstoff mit einer Dicke von einem Atom, die in einer sechseckigen Wabe miteinander verbunden ist. Es wurden auch mehrschichtige Separatoren ausprobiert, die das Eindringen von Dendriten verhindern. Neue experimentelle Li-Metall-Batterien erreichen 300 Wh/kg und das Potenzial ist viel höher. Dies ist für das Elektrofahrzeug von besonderem Interesse.

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