Wie Festkörperbatterien für Drohnen vs. Lithium-Ionen?

1. Die Batterielebensdauer ist seit langem ein entscheidender Faktor für kommerzielle und militärisch-zivile Drohneneinsätze mit doppeltem Verwendungszweck.

Ob Infrastrukturinspektion, landwirtschaftliche Vermessung, Such- und Rettungseinsätze oder militärische Aufklärung: Die Flugdauer schränkt die Einsatzreichweite und Nutzlastkapazität direkt ein.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus sind zwar nach wie vor der Industriestandard, sie begrenzen jedoch die Flugzeit professioneller Drohnen unter idealen Bedingungen immer noch auf 20 bis 60 Minuten. Umweltfaktoren und Nutzlasten verkürzen die tatsächliche Missionsdauer zusätzlich. Dieser Engpass zwingt die Betreiber zu komplexer logistischer Planung, häufigem Batteriewechsel und begrenzt die Komplexität der Mission.

2. Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien: Ein technischer Vergleich

Lithium-Ionen-Batterien: Aktuelle Leistung und Einschränkungen

Lithium-Ionen-Batterien nutzen flüssige Elektrolyte, um Lithiumionen zwischen Elektroden zu transportieren. Zu ihren Hauptvorteilen gehören: relativ hohe Energiedichte (bis zu 250 Wh/kg), Schnellladefähigkeit und ausgereifter Fertigungsmaßstab mit Kosteneffizienz, die durch jahrzehntelange schrittweise Verbesserungen entwickelt wurde. Diese Technologie ist bewährt, zuverlässig und weit verbreitet und unterstützt umfassende Anwendungen im gesamten kommerziellen Drohnensektor.

3. Allerdings weisen Lithium-Ionen-Batterien auch erhebliche Nachteile auf:

Die Flugdauer wird durch die aktuelle Obergrenze der praktischen Energiedichte begrenzt.

Sicherheit bleibt ein entscheidendes Anliegen: Flüssige Elektrolyte sind brennbar und bergen die Gefahr eines thermischen Durchgehens und eines katastrophalen Ausfalls, insbesondere in rauen Umgebungen oder nach Stößen.

Die Batterielebensdauer steht in direktem Zusammenhang mit den Lade-Entlade-Zyklen. Die Leistung nimmt ab einer bestimmten Zyklenzahl erheblich ab.

Lithium-Ionen-Batterien reagieren sehr empfindlich auf extreme Temperaturen: Niedrige Temperaturen verringern die Leistung, während hohe Temperaturen die Brandgefahr erhöhen.

4. Festkörperbatterien: Der nächste Technologiesprung?

Festkörperbatterien (SSBs) erreichen eine grundlegende strukturelle Innovation, indem sie flüssige Elektrolyte durch Festkörperelektrolyte (typischerweise Keramik-, Glas- oder Polymermatrizen) ersetzen. Jüngsten Berichten zufolge könnten Festkörperbatterien Energiedichten von mehr als 400 Wh/kg erreichen, wobei einige Studien sogar ein noch größeres Potenzial vermuten lassen. Theoretisch bedeutet dieser Sprung, dass Drohnen die Flugzeit verlängern oder mehr Ausrüstung bei gleichem Batteriegewicht transportieren könnten. Diese Schlüsselpunkte liefern wertvolle Hinweise bei der Bewertung der Vor- und Nachteile von Lithium-Ionen- und Festkörperbatterietechnologien für Drohnen.

Zu den wichtigsten Vorteilen, die in Branchenberichten und Studien hervorgehoben werden, gehören:

Deutlich verbesserte Energiedichte: Festkörperbatterien können die Flugreichweite kommerzieller Drohnen um das Zwei- bis Dreifache verlängern und ermöglichen so einen mehrstündigen Betrieb, der die aktuelle Lithium-Ionen-Technologie bei weitem übertrifft.

Erhöhte Sicherheit: Nicht brennbare Festelektrolyte reduzieren die Brand- und Explosionsgefahr drastisch – entscheidend für Einsätze in dicht besiedelten oder sensiblen Gebieten.

Längere Lebensdauer: Festkörperbatterien überstehen Tausende von Lade-Entlade-Zyklen ohne Leistungseinbußen und versprechen niedrigere Gesamtbetriebskosten für kommerzielle und militärische Flottenbetreiber.

Überlegene Leistung bei extremen Temperaturen: Feste Elektrolyte sorgen für Stabilität in Polar- oder Wüstenumgebungen und erweitern die Einsatzbereiche für kritische Drohnenmissionen.

Im Agrarsektor können mit diesen Batterien ausgestattete Drohnen kontinuierlich über weite Gebiete operieren, ohne dass sie während des Fluges aufgeladen werden müssen, und Aufgaben wie die Überwachung von Pflanzen, das Versprühen von Pestiziden und die Bodenanalyse übernehmen. Ihr kompaktes Design ermöglicht ein agiles Manövrieren auf engstem Raum wie Obstgärten.

Rettungsteams nutzen diese Batterien auch für Notfalleinsätze. Drohnen können Katastrophengebiete schnell erreichen, um Hilfe zu leisten, Medikamente zu transportieren, nach Überlebenden zu suchen und Schäden in für Menschen unzugänglichen Gebieten zu untersuchen. Diese Batterien funktionieren in extremen Umgebungen außergewöhnlich gut und gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb in den kritischsten Momenten.

5. Eine neue Ära für Drohnen einläuten

Festkörperbatterienversprechen, die Drohnenindustrie grundlegend zu verändern und die Ausdauer und Missionsfähigkeiten kommerzieller Plattformen und Plattformen mit doppeltem Verwendungszweck erheblich zu verbessern. Während traditionelle Lithium-Ionen-Batterien aufgrund von Kosten- und Liefervorteilen in absehbarer Zukunft dominant bleiben werden, markiert das Aufkommen von Festkörperbatterien den Beginn eines neuen Kapitels in der Luftmobilität – da Drohnen von den Einschränkungen der Batterielebensdauer befreit werden, werden ihre Möglichkeiten neu definiert.