Im Herbst 2021 trat die 26^. UN-Klimakonferenz der Vertragsparteien (COP 26) in Glasgow zusammen, um Vereinbarungen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen und zur Verhinderung eines weiteren Klimawandels auszuarbeiten. COP 26 baute auf dem Pariser Abkommen auf, die globale Erwärmung auf weniger als 2 Grad Celsius zu begrenzen, indem die Kohlendioxid (CO2)-Emissionen auf Null reduziert werden. Diese beiden Abkommen werden bestimmen, wie Regierungen und Industrie zusammenarbeiten, um den Klimawandel in den nächsten zehn Jahren einzudämmen.

Eine der wichtigsten Vereinbarungen des Klimapakts von Glasgow sieht vor, dass die Staaten „die Entwicklung, den Einsatz und die Verbreitung von Technologien sowie die Verabschiedung politischer Maßnahmen beschleunigen, um den Übergang zu emissionsarmen Energiesystemen zu vollziehen“, indem sie „den Einsatz sauberer Energieerzeugung und Energieeffizienzmaßnahmen rasch vorantreiben“. Als Gegengewicht zu dieser Priorisierung sauberer Energie wird gefordert, „die Bemühungen um den schrittweisen Ausstieg aus der Kohleenergie und die Abschaffung ineffizienter Subventionen für fossile Brennstoffe zu beschleunigen“. Dieser Pakt ist die erste ausdrückliche Erwähnung von Kohle und fossilen Brennstoffen in einem UN-Klimaabkommen.

Es gibt viele ergänzende Strategien zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen. Klimaexperten raten, dass wir unsere Anstrengungen maximieren können, indem wir uns auf die Einführung erneuerbarer Energiequellen und eine höhere Energieeffizienz im Verkehrswesen konzentrieren. Die Wirtschaftsanalyse der Vereinten Nationen sieht in Lithium-Ionen-Batterien eine gute Strategie zur Eindämmung des Klimawandels in den Bereichen Energie und Verkehr.

Obwohl Lithium-Ionen-Batterien selbst keine Energie erzeugen, sind sie eine effiziente Speicherlösung zur Stärkung grüner Energiesysteme. Ein großes Manko der erneuerbaren Energien Sonne und Wind ist die Variabilität. Lithium-Ionen-Batterien können die Energie aus diesen Quellen speichern und eventuelle Lücken in der Energieverteilung ausgleichen, wodurch die Zuverlässigkeit der grünen Energie und damit auch deren gesamte Stromerzeugungskapazität erhöht werden.

Obwohl Sony 1991 erstmals Lithium-Ionen-Batterien für die Unterhaltungselektronik einführte, werden Lithium-Ionen-Batterien erst in letzter Zeit zunehmend für ihre umweltfreundliche Leistung im Verkehrswesen bekannt. Mit Li-Ionen-Batterien betriebene Elektro-Pkw reduzieren die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu Benzinern um etwa zwei Drittel (vorausgesetzt, die Stromerzeugung von der Gewinnung bis zur Bereitstellung der Antriebsenergie, well-to-wheel, erfolgt aus erneuerbaren Quellen). Elektroautos sind nicht die einzigen Fahrzeuge, die mit Li-Ionen-Batterien betrieben werden – „Fahrräder, Roller, Autos, Busse, Lastwagen und sogar Fähren“ werden zunehmend mit Batterien betrieben, und auch in der Luft- und Schifffahrt gibt es laut der UNO erste Fortschritte. Während Elektrobusse und -lastwagen im innerstädtischen Bereich immer häufiger eingesetzt werden, sind schwere Elektrofahrzeuge für lange Strecken noch immer unerreichbar. Li-Ionen-Batterien bieten nicht die erforderliche Energiedichte, um mit den Kosten und der Effizienz von Gas für Langstrecken-LKW und -Busse konkurrieren zu können.

Batteriewissenschaftler müssen sich auf die wachsende Nachfrage nach Li-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge und umweltfreundliche Energiespeicher vorbereiten. Diese Bereiche erfordern einzigartige Fähigkeiten von Li-Ionen-Batterien, die die Entwickler berücksichtigen müssen.

Batterieanforderungen für Elektrofahrzeuge (EF) und Transportmittel

Welcher Faktor würde einen Autokäufer am ehesten dazu bewegen, von Benzin auf Elektro umzusteigen? Die Fahrzeughersteller sind sich einig: Die Laufzeit ist der wichtigste Faktor für die Lithium-Ionen-Batterien der Fahrzeuge. EF können den Markt dominieren, wenn sie weniger Ladepausen benötigen als die Benzinfahrzeuge ihrer Kontrahenten. Darüber hinaus werden Li-Ionen-Batterien mit langen Laufzeiten die Einführung von Elektrobussen, LKWs und Flugzeugen erleichtern.

Ein weiteres Hauptanliegen bei Elektrofahrzeugen ist die Sicherheit, insbesondere nach den Berichten über Batteriebrände bei GM und Tesla. GM hat seine Chevy Bolt-Batterien nach mehreren Bränden zurückgerufen, aber das Problem ist ein Problem der Qualitätskontrolle und kein inhärenter Fehler im Design oder in der Leistungsfähigkeit der Batterie. Tesla beteuert, dass seine Batterien völlig sicher sind, und auch die amerikanische Verkehrssicherheitsbehörde (U.S. National Highway Traffic Safety Administration) sieht keinen Anlass zur Sorge. Aber auch die Lebensdauer ist ein wichtiges Thema, da die Verbraucher:innen erwarten, dass ihre Elektroautos Jahre oder sogar Jahrzehnte halten, wie sie es von Benzinfahrzeugen kennen. Daher benötigen EF-Batterien eine hohe Lebensdauer, d. h. sie müssen viele Male entladen und wieder aufgeladen werden können, bevor die Leistung nachlässt.

Die Leistung, d. h. die Fähigkeit, Energie schnell zu verbrauchen, ist für ein durchschnittliches Elektroauto von untergeordneter Bedeutung. Ein Fahrzeug benötigt eine hohe Beschleunigung, um schnell zu beschleunigen und einen Unfall zu vermeiden, aber diese Beschleunigung erfordert keine exorbitante Leistung der Lithium-Ionen-Batterie. Rennwagen sind jedoch ein spezielles Beispiel für EF, die eine höhere Leistung für maximale Beschleunigung benötigen. Auch die Energiedichte hat bei Elektroautos für Endverbraucher keine hohe Priorität, da die derzeitigen Li-Ionen-Batterien bereits leicht genug für ein durchschnittliches Auto sind. Die Energiedichte ist für die Weiterentwicklung von Elektroflugzeugen von größerer Bedeutung. Ebenso sind die Kosten nicht der wichtigste Bereich für aktuelle Innovationen. Li-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge haben bereits große Fortschritte bei der Erreichung verbraucherfreundlicher Kosten gemacht. Während niedrigere Kosten mehr Käufern den Zugang zu EF ermöglichen, legen die Hersteller von EF mehr Wert auf die Qualität und Sicherheit der Batterien, auch wenn dies zu einem höheren Preis führt.

Batterieanforderungen für die Energiespeicherung im Netz

Obwohl den EF die meiste Aufmerksamkeit gewidmet wird, wenn es um Lithium-Ionen-Batterien geht, werden erneuerbare Energiequellen Netzspeicher benötigen, um die oben beschriebenen Lücken in der Stromerzeugung in wind- oder sonnenlichtarmen Phasen zu schließen. Derzeit werden mehrere Batterietechnologien in Betracht gezogen, aber die Lithium-Ionen-Batterie ist ein führender Anwärter. Ein Grund dafür ist, dass bei der Speicherung von Ökostrom die Batterien in der Regel täglich geladen und entladen werden müssen, sodass die Lebensdauer der Batterien der wichtigste Faktor für diese Anwendung ist. Ohne eine lange Lebensdauer wäre der häufige Austausch von Netzbatterien weder die Kosten noch die Arbeitskraft für deren Installation wert. Außerdem müssen die genutzten Batterien sicher sein. Neue Energielösungen müssen sicherer sein als ihre Vorgänger, um Regierungen und Verbraucher:innen zufrieden zu stellen. Nach der Sicherheit sind die Kosten das wichtigste Kriterium. Auch hier suchen die Energieerzeuger nach besseren Lösungen und werden wahrscheinlich nicht in Anlagen investieren, die viel mehr kosten als ihre derzeitigen Systeme für fossile Brennstoffe.

Leistung, Laufzeit und Energiedichte sind weniger wichtige Faktoren für grüne Energiespeicher. Diese Batterien brauchen keine hohe Leistung, um schnell Energie freizusetzen – ein gleichmäßiger Strom reicht aus, um die Haushalte am Laufen zu halten. Die Batterien brauchen auch keine extrem langen Laufzeiten, da sie in der Regel höchstens ein paar Tage lang laufen, bis Solar- oder Windenergie wieder Strom liefert. Schließlich müssen die Batterien nicht besonders kompakt und energiedicht sein, da sie in Energieanlagen und nicht in den Haushalten oder tragbaren Geräten der Verbraucher:innen eingesetzt werden. Energieerzeuger könnten die Energiespeicherung durch die Kombination mehrerer Batterien erhöhen und bräuchten nicht nur eine einzige, extrem dichte Batterie.

Wenn Batterieentwickler:innen ihre Designs für bestimmte Anwendungen (z. B. Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeuge, Netzspeicher) optimieren, müssen sie in der Lage sein, Batteriematerialien mit der besten Laufzeit, Zyklusdauer, Leistung und Energiedichte auszuwählen und gleichzeitig die Sicherheit unter verschiedenen Bedingungen zu überprüfen. Der multivariable Aspekt der Materialentwicklung und -auswahl bedeutet, dass die Entwicklung von Batterien stark von der Chemie und der Materialforschung abhängt. Eine kürzlich am Massachusetts Institute of Technology (MIT) durchgeführte Studie kam zu dem Schluss, dass mehr als 50 % des 97-prozentigen Kostenrückgangs bei Lithium-Ionen-Batterien seit Einführung der Technologie auf die Forschung und Entwicklung in den Bereichen Chemie und Materialwissenschaften zurückzuführen ist. Daher ist die Materialforschung und -entwicklung für den Erfolg von Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung. Die analytische Charakterisierung der Materialien, aus denen die wichtigsten Batteriekomponenten bestehen, hinsichtlich ihrer thermischen, rheologischen und molekularen Eigenschaften kann zu leistungsfähigeren und sichereren Batterien führen.

Eine kritische Materialeigenschaft, die Sie vielleicht schon bemerkt haben, wenn Sie Ihren Laptop benutzen oder Ihr Telefon nach dem Aufladen in die Hand nehmen, ist, dass Lithium-Ionen-Akkus dazu neigen, warm zu werden. Diese Erwärmung von in Betrieb befindlichen Batterien bedeutet, dass die Batteriematerialien durch Thermoanalyse für Parameter wie den Schmelzpunkt und die Zersetzungstemperatur charakterisiert werden müssen, damit die gesamte Batterie sicher funktioniert und arbeitet. Außerdem wird bei der Herstellung von Batterien ein Gemisch aus festen Partikeln, Bindemittel und Lösungsmittel verwendet, das während der Lagerung, des Mischens, der Beschichtung und des Trocknens eine Reihe von Verformungen erfährt. Die Rheologie, das Studium des Fließens und der Verformung von Materialien, ermöglicht es den Forscher:innen, die Mischung, die Lagerung und das Absetzen von Partikeln in den verschiedenen Phasen der Slurryverarbeitungzu verstehen.

Wenn Sie wissen möchten, wie thermische Analyse und Rheologie Ihre Forschung an Batteriematerialien unterstützen können, besuchen Sie bitte die Website von TA Instruments zur Charakterisierung von Batteriematerialien, um mehr zu erfahren.