Im Bereich der Energiespeicherung haben sich Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) als Eckpfeilertechnologie etabliert. Sie bieten hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und Vielseitigkeit für verschiedene Anwendungen. Da die Nachfrage nach nachhaltigen und zuverlässigen Energielösungen steigt, wird die Optimierung von LIBs für unterschiedliche Speicheranforderungen immer wichtiger. Dieser Blogbeitrag befasst sich mit der Optimierung von LIBs für verschiedene Energiespeicherszenarien und beleuchtet aktuelle Fortschritte und Strategien zur Leistungssteigerung.
1. Optimierte LIBs für tragbare und implantierbare Geräte
Für die nächste Generation tragbarer und implantierbarer Geräte müssen Energiespeicher flexibel, mechanisch verformbar und leicht auf jedes Substrat oder aktive Gerät druckbar sein. Forscher des Korea Institute of Science and Technology (KIST) haben eine vollständig dehnbare Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, die diese Kriterien erfüllt.
Die Batterie besteht aus dehnbaren und druckbaren Materialien wie Anode, Kathode, Stromkollektor, Elektrolyt und Dichtungsmittel und zeichnet sich durch hohe Kapazität und mechanische Verformungsfreiheit aus. Dieser Durchbruch trägt der wachsenden Nachfrage nach flexiblen und dehnbaren Batteriehüllen und -organen für leistungsstarke tragbare Geräte wie Smartwatches, implantierbare elektronische Geräte wie Herzschrittmacher und weiche tragbare Geräte für Virtual-Reality-Anwendungen Rechnung.
Die Innovation des Teams liegt in der Verwendung eines neuartigen, weichen, dehnbaren organischen Gelmaterials, das das aktive Elektrodenmaterial fest an Ort und Stelle hält und den Ionentransfer erleichtert. Darüber hinaus kann die Batterie mit bestehenden LIB-Materialien integriert werden und weist bei Betriebsspannungen von 3,3 V oder höher eine ähnliche Energiespeicherdichte (~2,8 mWh/cm²) wie handelsübliche starre LIBs auf. Diese Technologie verspricht Langzeitstabilität in Luft und behält ihre Leistung auch nach wiederholter Dehnung von bis zu 1000 Zyklen bei.
2. LIBs in Hybrid-Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge
Elektrofahrzeuge (EVs) erweitern die Grenzen der Energiespeicherung im großen Maßstab. Um die Schwankungen der Ladespannung zu stabilisieren und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) zu verlängern, wurden hybride Energiespeichersysteme (HESS) eingeführt, die supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) und LIBs kombinieren.
Mithilfe der Unscented-Kalman-Filter-Methode (UKF) zur Schätzung des Batterieladezustands (SOC) und der Extended-Kalman-Filter-Methode (EKF) zur Schätzung des Batterieinnenwiderstands haben Forscher einen adaptiven Unscented-Kalman-Filter-Ansatz (AUKF) zur Schätzung des LIB-Zustands entwickelt. Diese Methode ermöglicht eine robuste SOC-Schätzung mit schneller Konvergenz, die für die SOC-Verwaltung in HESS entscheidend ist.
Die Integration von SMES mit LIBs reduziert hochfrequente Entladezyklen und verbessert so die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit des Energiespeichersystems. Solche Fortschritte sind entscheidend für den Übergang zu einem nachhaltigeren Transportsystem, das auf erneuerbaren Energiequellen basiert.
3. Recycelte LIBs für die Energiespeicherung zu Hause und außerhalb des Stromnetzes
Die zunehmende Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) hat insbesondere in Entwicklungsländern zu einem Anstieg des Elektroschrotts geführt. IBM-Wissenschaftler in Indien haben jedoch ein experimentelles Netzteil namens UrJar entwickelt, das aus wiederverwendbaren LIB-Zellen besteht, die aus alten Laptop-Akkus geborgen wurden.
UrJar befindet sich zwar noch in der Versuchsphase, zeigt aber bereits das Potenzial recycelter Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) für die Stromversorgung unterversorgter Gemeinden. Für die Energiespeicherung im privaten und netzunabhängigen Bereich bieten recycelte LIBs eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative zu neuen Batterien. Das ordnungsgemäße Recycling und die Wiederverwendung dieser Batterien können erheblich zur Reduzierung von Elektroschrott beitragen und abgelegenen Gebieten zuverlässige Energielösungen bieten.
4. Fortschritte bei LIB-Materialien für Industrie- und Notstromversorgung
Weltweit erforschen Forscher neue Materialien, um die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern und so die Herausforderungen zu bewältigen, die sich aus der Knappheit und den hohen Kosten von Lithium ergeben. Eine vielversprechende Alternative sind Natrium-Ionen-Batterien (Na-Ionen), die Natriumionen als Energieträger nutzen.
Aktuelle Studien, wie die von Professor Shinichi Komaba, nutzen maschinelles Lernen, um vielversprechende Materialzusammensetzungen für Na-Ionen-Batterien zu identifizieren. Durch die Untersuchung verschiedener Materialien vom Typ NaMeO2O3 entdeckte das Forschungsteam, dass Na[Mn0,36Ni0,44Ti0,15Fe0,05]O2 die höchste Energiedichte bietet. Diese Entdeckung ebnet den Weg für die Entwicklung effizienterer und kostengünstigerer Batteriematerialien.
Für industrielle Anwendungen und Notstromversorgungen ist die Optimierung der Slurry-Stabilität entscheidend für die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien. Durch die Untersuchung der Auswirkungen von Mischprozess, Feststoffgehalt, Slurry-Viskosität und Stabilisator haben Forscher optimale Bedingungen für eine hohe Slurry-Stabilität identifiziert, die sich in einer verbesserten Batterieleistung und -lebensdauer niederschlägt.
Abschluss
Die Optimierung von Lithium-Ionen-Batterien für verschiedene Energiespeicherszenarien erfordert einen vielschichtigen Ansatz, der Materialinnovation, Systemintegration und Recycling umfasst. Da wir die Grenzen der Energiespeichertechnologie immer weiter verschieben, wird die Vielseitigkeit von Lithium-Ionen-Batterien zweifellos eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung einer nachhaltigeren und energieeffizienteren Zukunft spielen.
