Die Forscher testen verschiedene Materialien für eine neue Art von Batterien. Wie sollten wir beurteilen, ob ein bestimmtes Material eine brauchbare Option ist? Die Integration von Materialien wie Silizium, Graphen und sogar Natrium in die Batteriechemie wird derzeit untersucht. Hier sind 5 Faktoren, die bei der Beurteilung, ob ein bestimmtes Batteriematerial machbar ist.
- Materialkosten
Die Materialkosten haben großen Einfluss auf die Machbarkeit der Verwendung eines bestimmten Materials in Batterien. Da man sich heutzutage so sehr auf Batterien verlässt und die Nachfrage immer weiter steigt, ist die Wahl der richtigen Materialien, um die Preise niedrig zu halten, von entscheidender Bedeutung.
Im Jahr 2010 kostete ein Lithium-Ionen-Batteriepaket mehr als 1000 USD/kWh. Dieser Preis sank deutlich auf USD156/kwh bis 2019und wird in den kommenden Jahren voraussichtlich auf unter 100 USD/kwh fallen.
Die sinkenden Kosten für Batterien haben dazu geführt, dass immer mehr Menschen Batterien als dauerhafte Energielösung für große Anwendungen nutzen, z. B. Elektrofahrzeuge oder Netzspeicherung, was die Umstellung auf saubere Energie erleichtert.
Allerdings tragen bestimmte Materialien, die üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, zu den hohen Kosten der Batterie bei. Zum Beispiel, Kobalt ist kostspielig und seine Kosten neigen aufgrund des begrenzten Angebots und der hohen Nachfrage zu Schwankungen. Ähnlich verhält es sich bei Nickel. Da sich das Angebot dieser Metalle in der Regel auf bestimmte Teile der Welt konzentriert - Kobalt in der Demokratischen Republik Kongo und Nickel in Indonesien -, würden ihre Preise von der Exportpolitik dieser Länder abhängen.
- Reichtum und Nachhaltigkeit
Die Häufigkeit und das Angebot eines Materials beeinflussen nicht nur seinen Preis, sondern auch seine langfristige Nachhaltigkeit. Einige Analysten sagen voraus, dass sich das Angebot an seltenen Metallen, die in den derzeitigen Batterien verwendet werden, in nur wenigen Jahren verschlechtern könnte. Brancheninsider gehen davon aus, dass es eine Verknappung von Kobalt bis 2022. Um den steigenden Bedarf an Batterien zu decken, suchen Forscher nach Alternativen.
Eine solche Alternative ist Natrium. Natrium ist das sechsthäufigste Element auf der Erde - zum Vergleich: Lithium ist das 25. Das bedeutet, dass Natrium in Bezug auf die langfristige Verfügbarkeit ein starker Konkurrent von Lithium ist. Die Natrium-Ionen-Batterie ist potenziell billiger und einfacher zu produzieren als sein Lithium-Ionen-Gegenstück, obwohl es noch viel zu verbessern gibt, bevor es ein solider Konkurrent in Bezug auf die Energiedichte wird.
Momentan ist Graphit das bevorzugte Anodenmaterial, aber es wird viel an Silizium als billigerer Alternative geforscht. Silizium ist das am zweithäufigsten vorkommende Element in der Erdkruste und damit eine gute Wahl für zukünftige Batterien.
- Materialverschlechterung
Nur weil ein Material im Überfluss vorhanden ist, bedeutet dies jedoch nicht, dass es unbedingt für die Verwendung in einer Batterie geeignet ist. Silikon ist zwar ein beliebter Ersatzstoff, aber viele Forscher haben festgestellt, dass sich Silizium bei der Verwendung in einer Batterie schnell verschlechtert. Obwohl seine Kapazität theoretisch höher ist als die von Graphit, neigt die Siliziumanode dazu, bei der Aufnahme von Ionen fast 300% aufzuquellen. Dies führt dazu, dass die Anode Risse bekommt und sich verschlechtert, wodurch die Energiedichte der Batterie schnell abnimmt.
Verschiedene Materialien reagieren in verschiedenen Kombinationen unterschiedlich. So reagiert beispielsweise reines Lithiummetall, obwohl es eine hohe Energiedichte aufweist, negativ mit dem Elektrolyten und fördert das Wachstum von Dendriten da sich die Ionen ungleichmäßig auf der Oberfläche der Anode ablagern. Bei der Bewertung von Batteriematerialien müssen ihre Reaktivität und langfristige Leistung berücksichtigt werden.
- Sicherheit
Die Sicherheit der Batterie ist ein zentrales Anliegen. Die Dendriten, die sich im Inneren der Batterie bilden, könnten möglicherweise den Separator durchschlagen und einen Kurzschluss verursachen. Außerdem sind Lithium-Ionen-Batterien zwar im Allgemeinen stabil, aber es ist auch bekannt, dass sie bei Beschädigung Feuer fangen oder brennen können. Das liegt vor allem an der Entflammbarkeit des flüssigen Elektrolyten, der in der Batterie verwendet wird. Halbwässrige oder feste Elektrolyte sind ein brauchbarer Ersatz, um eine sicherere Batterie zu schaffen.
- Auswirkungen auf die Umwelt
In großen Mengen sind bestimmte Materialien giftig für die Umwelt. Kobalt und Nickel werden derzeit in Lithium-Ionen-Batterien verwendet, haben jedoch langfristige Auswirkungen auf die Umwelt, insbesondere wenn sie nicht ordnungsgemäß entsorgt oder recycelt werden.
Bei der großen Anzahl von Batterien, die das Ende ihrer Lebensdauer erreichen und entsorgt werden, können sich Schwermetalle ansammeln und ein Sicherheitsrisiko für Mensch und Umwelt darstellen. Bei unsachgemäßer Entsorgung können diese Schwermetalle in den Boden und die Wasserversorgung gelangen und die Gesundheit von Menschen und Tieren beeinträchtigen.
Auch die Art und Weise, wie die Materialien aus der Umwelt gewonnen werden, und die damit verbundenen Auswirkungen sollten berücksichtigt werden. Es wurde festgestellt, dass der Lithiumabbau Folgendes verursacht Zerstörung von Lebensräumen und Verschmutzungund schädigt die Böden der umliegenden landwirtschaftlichen Betriebe.
Alternativ dazu ist das Verfahren zur Gewinnung von Natrium viel umweltfreundlicher, ein weiterer Grund, warum es eine vorteilhafte Option ist.
Jedes Material hat seine Vor- und Nachteile, und diese sollten bei der Bewertung seiner Praxistauglichkeit berücksichtigt werden. Da Batterien eine grünere und sauberere Zukunft anstreben, sollten auch die Prozesse, mit denen dies erreicht wird, untersucht werden. Die Nachhaltigkeit sollte neben den Kosten und der Batteriechemie berücksichtigt werden, um ausgewogene und praktikable Alternativen für Batterien zu finden.
