Wie funktioniert eine Festkörperbatterie?

Wie funktioniert aFestkörperbatterieArbeiten? Eine einfache Erklärung für UAV-Betreiber

Verstehen, wie aFestkörperbatterieWerke erfordern keinen Abschluss in Chemie. Dazu müssen Sie einen wesentlichen Unterschied zu den Batterien, mit denen Sie bereits vertraut sind, verstehen und dann der Logik folgen, die sich durch diesen Unterschied ändert.

Hier ist die klarste Erklärung zum Betrieb von Festkörperbatterien, geschrieben für Leute, die Drohnen fliegen, und nicht für Leute, die sie bauen.

Beginnen Sie mit dem, was jede Batterie leistet

Jeder Akku – Telefonakku,Drohnenbatterie, Autobatterie – erfüllt die gleiche grundlegende Aufgabe. Es speichert chemische Energie und wandelt sie bei Bedarf in elektrische Energie um.

In jeder Lithiumbatterie befinden sich drei wesentliche Komponenten: eine positive Elektrode, die Kathode genannt wird, eine negative Elektrode, die Anode genannt wird, und eine mittlere Schicht, die Elektrolyt genannt wird und sich dazwischen befindet. Beim Laden bewegen sich Lithiumionen von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode und speichern so Energie. Während der Entladung bewegen sich diese Ionen in die entgegengesetzte Richtung zurück und die dabei freigesetzte Energie treibt die Motoren der Drohne an.

Die Aufgabe des Elektrolyten ist spezifisch: Er lässt Lithiumionen durch, blockiert aber Elektronen. Elektronen müssen durch den externen Stromkreis wandern – durch die Motorsteuerungen, Motoren und Flugelektronik – und leisten so nützliche Arbeit. Könnten Elektronen den Elektrolyten direkt durchqueren, würde die Batterie sofort kurzschließen.

Was Solid State anders macht

In herkömmlichen Lithium-Polymer-Batterien ist der Elektrolyt eine Flüssigkeit oder ein Gel – genauer gesagt ein organisches Lösungsmittel, das gelöste Lithiumsalze enthält. Es funktioniert gut. Es ist außerdem brennbar, temperaturempfindlich und zersetzt sich im Laufe der Zeit durch chemische Reaktionen mit Elektrodenoberflächen.

Eine Festkörperbatterie ersetzt diese Flüssigkeit durch ein festes Material. Der Festelektrolyt erledigt immer noch genau die gleiche Aufgabe – er lässt Lithiumionen passieren und blockiert gleichzeitig Elektronen –, aber er tut dies durch einen grundlegend anderen physikalischen Mechanismus.

Anstatt dass Ionen durch eine Flüssigkeit driften, bewegen sie sich durch eine kristalline oder amorphe feste Struktur und hüpfen zwischen ionenleitenden Stellen innerhalb des Materials. Abhängig von der Elektrolytchemie kann es sich bei diesen festen Materialien um Keramik (wie LLZO – Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid), Polymere oder Sulfidverbindungen handeln. Jedes weist eine unterschiedliche Ionenleitfähigkeit, Temperaturleistung und Herstellungseigenschaften auf.

Was sich an der Leistung ändert

Da der Elektrolyt nun fest ist, ändern sich mehrere Dinge gleichzeitig:

Das Brandrisiko sinkt deutlich. Das organische Lösungsmittel, das flüssige Elektrolyte entflammbar macht, ist nicht vorhanden. In der thermischen Instabilitätssequenz, die Lithiumbatteriebrände verursacht, gibt es nichts zu entzünden. Eine mechanisch beschädigte Festkörperzelle verliert ihre Funktion, anstatt zu einer Brandgefahr zu werden.

Die Zelle kann eine Lithium-Metallanode aufnehmen. In Flüssigelektrolytbatterien verursachen Lithiummetallanoden das Wachstum von Dendriten – Metallfäden, die schließlich die Zelle kurzschließen. Festelektrolyte sind dicht genug, um das Eindringen von Dendriten physikalisch zu blockieren, wodurch Lithiummetallanoden brauchbar werden. Lithiummetall speichert etwa zehnmal mehr Energie pro Gramm als die in herkömmlichen Batterien verwendeten Graphitanoden – was die Vorteile der Energiedichte von Festkörperbatterien mit sich bringt.

Der Abbau verlangsamt sich. Flüssige Elektrolyte reagieren über Hunderte von Ladezyklen hinweg allmählich mit Elektrodenoberflächen und bilden Schichten, die den Innenwiderstand erhöhen und die Kapazität verringern. Festelektrolyte sind chemisch stabiler und reagieren langsamer mit Elektrodenmaterialien. Diese Stabilität ist der Grund, warum Festkörperbatterien unter vergleichbaren Betriebsbedingungen eine längere Lebensdauer aufweisen.

Was sich nicht geändert hat

Der grundlegende Vorgang – Lithiumionen, die sich durch einen Elektrolyten zwischen Kathode und Anode hin und her bewegen – ist identisch mit jeder Lithiumbatterie, die Sie zuvor verwendet haben. Der Spannungsbereich ist ähnlich. Der Lade- und Entladevorgang erfolgt nach den gleichen Prinzipien. Die Batterie benötigt weiterhin ein Batteriemanagementsystem, um die Zellspannungen zu überwachen, den Ausgleich zu verwalten und vor Missbrauchsbedingungen zu schützen.

Festkörperspeicher sind keine andere Art der Energiespeicherung. Es handelt sich um den gleichen Typ, wobei eine Komponente – der Elektrolyt – so neu gestaltet wurde, dass die größten Einschränkungen der herkömmlichen Lithiumbatteriechemie beseitigt werden.

Die Festkörper-UAV-Batterien von ZYEBATTERIE

ZYEBATTERIEentwickelt Festkörper-Lithium-Ionen- und Hochleistungs-Lithium-Polymer-UAV-Batterien für kommerzielle Drohnenanwendungen. Das Verständnis der Funktionsweise der Technologie ist der Ausgangspunkt, um zu verstehen, warum sich die Leistungsmerkmale unterscheiden – und um Batterieentscheidungen auf der Grundlage echter Erkenntnisse und nicht nur anhand von Datenblattzahlen zu treffen.