Fortschrittliche Batterietechnologie: Ziele und Materialinnovationen in "Made in China 2025"

Die Integration von Lithium-Ionen-Batterien in das Gefüge der modernen Technologie war nichts weniger als revolutionär. Diese Energiespeichergeräte stehen im Mittelpunkt einer Vielzahl von Elektronikprodukten, Elektrofahrzeugen (EVs) und anderen Anwendungen, die für unser tägliches Leben von entscheidender Bedeutung sind. Allerdings ist die wachsende Abhängigkeit von Lithium-Ionen-Batterien nicht ohne Herausforderungen geblieben. Sicherheitsbedenken sind zunehmend in den Vordergrund gerückt, wobei Vorfälle wie die Brände des Samsung Note 7 Smartphones und die Verbrennungen von Tesla-Fahrzeugen die Notwendigkeit von Innovationen in der Batterietechnologie unterstreichen.

Sicherheitsfragen sind aus diesen Vorfällen entstanden, die eine Neubewertung der Sicherheitsmaßnahmen im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien erforderlich gemacht haben. Diese Ereignisse haben als eindringliche Erinnerung gedient, dass das Streben nach höheren Energiedichten und längerer Lebensdauer mit strengen Sicherheitsüberlegungen in Einklang gebracht werden muss.

Die Initiative "Made in China 2025" hat ehrgeizige Ziele für den Fortschritt der Batterietechnologie festgelegt, insbesondere im Bereich der Energiespeicherbatterien für neue Energiefahrzeuge. Der vom Ministerium für Industrie und Informationstechnologie skizzierte Fahrplan setzt spezifische Ziele für die spezifische Energie von Batteriemonomeren, mit dem Ziel von 300 Wh/kg bis 2020, über 400 Wh/kg bis 2025 und über 500 Wh/kg bis 2030. Neben den Verbesserungen der Energiedichte zielt die Initiative darauf ab, die Lebensdauer der Batterien auf 10 Jahre zu verlängern und die Kosten bis 2030 auf unter 0,6 Yuan/Wh für die Stückkosten und weniger als 0,8 Yuan/Wh für die Systemkosten zu senken.

Um diese Ziele zu erreichen, spielen Materialinnovationen eine entscheidende Rolle. Das Kathodenmaterial ist beispielsweise ein Schlüsselfaktor für die Kapazität und Spannung einer Lithium-Ionen-Batterie. Die Forschung konzentriert sich auf Materialien wie LiNi0.5Mn1.5O4, LiCoO2 und verschiedene Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) sowie Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA) Formulierungen. Das Ziel ist es, die Grammkapazität dieser Materialien zu erhöhen und gleichzeitig die Ladeabschaltspannung zu steigern, um die Energiedichte zu erhöhen. Methoden wie Dotierung, Beschichtung und der Einsatz von Kathoden-Elektrolyt-Interphase (CEI) Additiven werden untersucht, um die Gitter- und Oberflächenstabilität, die Verdichtungsdichte und die Dicke der Kathode zu verbessern.

Anodenmaterialien haben ebenfalls beträchtliche Aufmerksamkeit erhalten. Mit dem Entwicklungspotenzial, das durch Materialien wie C@SiOx, C@nano-Si/C, weichen und harten Kohlenstoff sowie Li-Verbundstoffe angezeigt wird, suchen Forscher nach Möglichkeiten, die Kapazität der negativen Elektrode zu erhöhen. Strategien umfassen die Vorlithiation zur Steigerung der Oberflächenkapazität und zur Reduzierung der Volumenausdehnung der Elektrode, Kohlenstoffbeschichtungen und Zusätze für die feste Elektrolytgrenzschicht (SEI), um die Stabilität der Schnittstelle und die Ratenmerkmale zu verbessern. Der Übergang zu Festkörperbatterien wird voraussichtlich die Coulomb-Effizienz und Sicherheit verbessern.

Der Fahrplan für die Entwicklung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien berücksichtigt nicht nur die hohe Energiedichte, sondern auch die Notwendigkeit von hoher Sicherheit und Leistungsfähigkeit. Die Entwicklung der Materialien für die Antriebsbatterien von Elektrofahrzeugen hat sich von Lithiumkobaltoxid zu ausgefeilteren Kombinationen wie hochnickeligen 622-, 811- und NCA-Formulierungen sowie lithiumreichen manganbasierten Schichtoxiden und hochvoltage Nickel-Mangan-Spinel weiterentwickelt.

Dieser Technologieweg für Leistungsbatterien über 300Wh/kg umfasst die Verwendung von hochnickelhaltigen positiven Elektroden in Kombination mit silizium-kohlenstoffhaltigen negativen Elektroden. Es beinhaltet die Optimierung verschiedener Komponenten, vom keramisch beschichteten Diaphragma über den beschichteten Separator für den Ionenleiter bis hin zur Materialdotierung, dem modifizierten Elektrolyten und den leitfähigen Additiven. Der Bildungsprozess, das N/P-Design und der Vorlithierungsprozess sind alles kritische Elemente, die sorgfältig berücksichtigt werden müssen, um die Energiedichte mit Sicherheit, Lebensdauer und Leistungsmerkmalen in Einklang zu bringen.

Trotz dieser Fortschritte können die potenziellen Risiken von Lithium-Ionen-Batteriesystemen nicht ignoriert werden. Die Verdampfung brennbarer Gase, das Risiko eines thermischen Durchgehens sowie die Gefahren von Kurzschlüssen und Überladung sind alles Faktoren, die umfassende Sicherheitstests und die Entwicklung robuster Sicherheitsmechanismen erfordern.

Die Sicherheitsprüfprotokolle für Einzelzellen und Batteriepacks umfassen Überladung, externe Kurzschlüsse bei normalen und hohen Temperaturen, Überstromladung sowie Tests auf mechanische Stöße wie Vibration, Aufprall und Quetschung. Diese Tests sind darauf ausgelegt, sicherzustellen, dass Batterien eine Reihe von widrigen Bedingungen standhalten können, ohne Feuer zu fangen oder zu explodieren.

Abschließend bleibt es eine oberste Priorität, dass China im Rahmen seiner Initiative "Made in China 2025" den Fokus auf die Entwicklung sicherer, effizienter und kostengünstiger Batterietechnologien legt. Materialinnovationen und strenge Testprotokolle sind entscheidend, um die Ziele des Fahrplans zu erreichen und die Sicherheitsfragen zu klären, die aus vergangenen Vorfällen entstanden sind. Die Zukunft der Lithium-Ionen-Batterien ist vielversprechend, muss jedoch mit einem scharfen Blick auf das Gleichgewicht zwischen Leistung und Sicherheit navigiert werden.