Die Batterietechnologie^(Battery) hat sich im Laufe der Jahre stark weiterentwickelt. Gadgets wie Drohnen^(drones) und Smartphones wären ohne fortschrittliche moderne Batterietechnologie unpraktisch. 

Batterien könnten jedoch immer besser sein! 

Festkörperbatterien scheinen der nächste große Fortschritt zu sein, und Produkte, die sie verwenden, stehen vor der Tür. Dies bedeutet, dass jetzt der perfekte Zeitpunkt ist, um sich damit vertraut zu machen, was sie sind und warum sie wichtig sind.

Was bedeutet „Festkörper“?

Ob es sich um eine Blei-Säure-Autobatterie, alkalische Einwegbatterien oder Lithium-Polymer-Batterien^{(lithium polymer batteries)} in einem Telefon handelt, sie alle verwenden einen flüssigen Elektrolyten. Der Elektrolyt ist eine leitfähige Substanz, die die beiden inneren Pole der Batterie verbindet. Durch den Elektrolyten fließen Elektronen, wodurch sich die Batterie entweder elektrisch aufladen oder entladen kann.

Eine Festkörperbatterie verwendet einen festen Elektrolyten anstelle des herkömmlichen flüssigen Elektrolyten. Das ist der einzige grundlegende Unterschied zwischen den beiden Batterietechnologien. Es klingt einfach genug, aber Ingenieure und Wissenschaftler haben jahrzehntelang darum gekämpft, ein festes Material zu entwickeln, das als Elektrolyt fungieren kann.

Was ist schwer^(Hard) an Festkörperbatterien^{(Solid State)} ?

Als Festkörperelektrolyte bieten sich verschiedene Materialien wie Keramiken und Lithiummetalle an. Das Problem ist, dass der Keramikansatz zu einer schlechten Batterieleistung geführt hat. Lithiummetalle sind vielversprechend, haben aber einen fatalen Fehler. Während die Batterie geladen und entladen wird, wachsen metallische „Dendriten“ durch den Elektrolyten. Der Akku kann kurzgeschlossen und zur Gefahr werden.

Praktische und wirtschaftlich tragfähige Lösungen für diese Probleme zu finden, war in den letzten Jahren die Mission mehrerer Unternehmen und Forschungsteams. Nun soll sich diese Arbeit auszahlen. 

Warum sich all diese Mühe machen? Schauen wir uns die Vorteile an, die Festkörperbatterien gegenüber herkömmlichen Batterien versprechen.

Sicherheit

Batterien speichern große Energiemengen und es besteht immer die Gefahr, dass diese Energie unkontrolliert freigesetzt wird. Wenn das passiert, kann es zu Bränden, Explosionen und anderen unerwünschten Folgen kommen. Festkörperbatterien versprechen, unter der Annahme, dass das Dendritenproblem gelöst ist, sicherer und stabiler zu sein. Zum einen sind sie nicht brennbar, Batteriebrände sollten also der Vergangenheit angehören.

Dies ist nicht nur für Elektrofahrzeuge wie Autos und Drohnen wichtig, sondern auch für persönliche Elektronik wie Smartphones und Laptops. Viele Menschen werden jedes Jahr durch Batteriebrände in ihren elektronischen Geräten verletzt. Ganze Häuser wurden dadurch niedergebrannt!

Ladegeschwindigkeit

Moderne Lithiumbatterien können mit beeindruckenden Geschwindigkeiten aufgeladen^{(charge at impressive speeds)} werden, aber sie brauchen immer noch lange, bis sie voll sind. Es gibt eine Grenze dafür, wie viel Energie Sie in eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie stecken können, bevor alles seitwärts geht. Festkörperbatterien versprechen, bis zu sechsmal schneller aufgeladen zu werden als die Batterien, die wir derzeit verwenden. Das bedeutet, dass Sie Ihr Telefon in fünf Minuten von leer auf voll charging an electric car to 80% in 15 .

Energiekapazität und Größe

Lithium -Ionen-Batterien haben derzeit die höchste Energiedichte aller Batterietypen, die an die Öffentlichkeit verkauft werden. Dennoch ist es immer noch um ein Vielfaches weniger dicht als Benzin. Festkörperbatterien bringen Batterien zwar nicht auf Augenhöhe mit Gas, versprechen aber, die Energiedichte pro Volumen mehr als zu verdoppeln. 

Mit anderen Worten, wenn Sie den Akku Ihres Telefons mit einem Solid-State-Modell austauschen, könnte es theoretisch doppelt so lange laufen, ohne an Größe zuzunehmen. Dies ist ein weiteres großes Verkaufsargument für Elektrofahrzeuge, die aufgrund der Reichweitenangst nicht so beliebt sind, wie sie sein könnten.

Lebensdauer und Haltbarkeit

Die meisten aktuellen Lithium-Ionen-Batterien beginnen sich nach etwa 500 vollständigen Lade-Entlade-Zyklen zu verschlechtern. Danach beginnt der Akku an Kapazität zu verlieren,^{(battery begins to lose its capacity)} bis er kaum noch eine Ladung halten kann. Bei Smartphones, die heute eher versiegelte Batterien haben, setzt dies der Gerätelebensdauer eine harte Grenze. Festkörperbatterien versprechen, diese Grenze stark zu erhöhen. Sogar fünfmal. 

Wo also ein typischer Telefonakku für den täglichen Gebrauch nach zwei bis drei Jahren beginnen könnte, sich zu verschlechtern, würde ein Festkörperakku bis zu fünfzehn Jahre^{(fifteen years)} lang seine Nennkapazität behalten . Bei Elektroautos, bei denen der Austausch von Batterien extrem kostspielig ist, könnte sich dies dramatisch auf die Betriebskosten dieser Fahrzeugklasse auswirken. 

Schwächen der Festkörperbatterie

Wenn das alles zu gut klingt, um wahr zu sein, gibt es ein paar Vorbehalte gegen die Technologie. Einige davon müssen noch gelöst werden, bevor eine breite Einführung der Festkörperbatterietechnologie erreicht wird.

• Die Kosten^{(Cost )} sind vielleicht der größte Feind. Forschungsteams^(Research) und Startup-Unternehmen arbeiten intensiv daran, den Produktionsprozess für diese Batterien günstiger und skalierbarer zu machen. Einige Unternehmen behaupten, in der Nähe zu sein, aber wir werden nicht wissen, wie erfolgreich sie waren, bis wir die tatsächlichen Preise für Produkte mit diesen Batterien sehen.

• Auch diese Batterien haben bei niedrigen Temperaturen zu kämpfen^{(struggle at low temperatures)} . Daher sind Lösungen, die sie isolieren oder auf einer guten Betriebstemperatur halten, Teil der Herausforderung.

Wann können Sie Festkörperbatterien^{(Solid State)} kaufen ?

Es gibt einige Unternehmen wie Solid Power und QuantumScape , die behaupten, an der Schwelle zu kommerziellen Festkörperbatterieanwendungen zu stehen. 

Toyota plant, bereits 2021 Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterien zum Verkauf anzubieten . Sowohl Solid Power als auch QuantumScape^{(QuantumScape)} streben eine Markteinführung von Batterien für Fahrzeuge im Jahr 2022 bzw. 2024 an. Das bedeutet, dass wir in den nächsten Jahren am Anfang einer Batterierevolution stehen könnten. 

Das ist, bevor wir überhaupt auf die Möglichkeiten eingehen, die sich aus der Verwendung von Graphen ergeben. Dieses Wundermaterial verspricht noch bessere Batterien, egal ob sie flüssige oder feste Elektrolyte enthalten. Graphen zum Ballspielen zu bringen, ist Wissenschaftlern und Ingenieuren länger als erwartet entgangen, aber Sie können bereits jetzt eine hybride Graphen-Powerbank^{(hybrid graphene powerbank)} kaufen . Wahrlich^(Truly) , die Zukunft ist hier.

What Are Solid State Batteries and Why Are They Important?

Battery technolоgy has come a long way оvеr the years. Gadgets likе drones and smartphones would be impractical without advanced modern battery technology. 

However, batteries could always be better! 

Solid state batteries seem to be the next big advancement and products that use them are around the corner. This means now is the perfect time to familiarize yourself with what they are and why they’re important.

What Does “Solid State” Mean?

Whether it’s a lead acid car battery, alkaline disposables, or lithium polymer batteries in a phone, they all use a liquid electrolyte. The electrolyte is a conductive substance that connects the two internal terminals of the battery. Electrons flow through the electrolyte, allowing the battery to either build up an electrical charge or to discharge it.

A solid state battery uses a solid electrolyte, instead of the traditional liquid electrolyte. That’s the only fundamental difference between the two battery technologies. It sounds simple enough, but engineers and scientists have been struggling for decades to come up with a solid material that can act as an electrolyte.

What’s Hard About Solid State Batteries?

Various materials, such as ceramics and lithium metals, offer potential as solid state electrolytes. The problem is that the ceramic approach has resulted in poor battery performance. Lithium metals are promising, but have a fatal flaw. As the battery is charged and discharged, metal “dendrites” grow through the electrolyte. The battery can short-circuit and turn into a hazard.

Finding practical and economically viable solutions to these issues has been the mission of several companies and research teams over the past few years. Now that work is about to pay off. 

Why go through all this trouble? Let’s look at the benefits that solid state batteries promise over traditional ones.

Safety

Batteries store large amounts of energy and there’s always a danger that this energy can be released in an uncontrolled way. When that happens, it can mean fire, explosions and other unwanted outcomes. Solid state batteries, assuming the dendrite issue is resolved, promise to be safer and more stable. For one thing, they aren’t flammable, so battery fires should be a thing of the past.

This is not only important for electric vehicles such as cars and drones, but also for personal electronics such as smartphones and laptops. Many people are injured every year by battery fires in their electronic gadgets. Entire houses have been burned to the ground as a result!

Recharge Speed

Modern lithium batteries can charge at impressive speeds, but they still take a long time to fill up. There’s a limit to how much energy you can pour into a traditional lithium ion battery before it all goes sideways. Solid state batteries promise to charge as much as six times faster than the batteries we currently use. That means charging up your phone from empty to full in five minutes or charging an electric car to 80% in 15.

Energy Capacity and Size

Lithium ion batteries currently have the highest energy density of any battery type sold to the public. Yet it’s still many times less dense than gasoline. While solid state batteries don’t bring batteries up to par with gas, it does promise to more than double the energy density per volume. 

In other words, if you changed the battery in your phone using a solid state model, it could theoretically run twice as long without increasing in size. This is yet another big selling point for electric vehicles, which aren’t as popular as they could be, thanks to range anxiety.

Lifespan and Durability

Most current lithium ion batteries start to degrade after about 500 full charge-discharge cycles. After that point the battery begins to lose its capacity until it can barely hold a charge at all. In smartphones, which now tend to have sealed batteries, this puts a hard limit on device lifespan. Solid state batteries promise to greatly increase that limit. As much as five times. 

So, where a typical daily-use phone battery might start to degrade after two to three years, a solid state battery would remain at its rated capacity for up to fifteen years. In electric cars, where the replacement of batteries is extremely costly, that could have a dramatic effect on the cost of ownership for this class of vehicles. 

Solid State Battery Weaknesses

If this all sounds too good to be true, there are a few caveats to the technology. Some of these still need to be solved before widespread adoption of solid state battery technology is achieved.

• Cost is perhaps the greatest foe. Research teams and startup companies are working hard on making the production process for these batteries cheaper and scalable. Some companies claim to be close, but we won’t know how successful they’ve been until we see the actual prices on products with these batteries.

• These batteries also struggle at low temperatures. Therefore, solutions that involve insulating them or keeping them at a good operational temperature are part of the challenge.

When Can You Buy Solid State Batteries?

There are a few companies like Solid Power and QuantumScape, which claim to be at the cusp of commercial solid state battery applications. 

Toyota plans to have solid state battery electric vehicles for sale as early as 2021. Both Solid Power and QuantumScape are aiming for a rollout of batteries for vehicles in 2022 and 2024 respectively.  This means that in the next couple of years we could be right at the start of a battery revolution. 

That’s before we even get into the possibilities that come from using graphene. This wonder material promises even better batteries, whether they have liquid or solid electrolytes in them. Getting graphene to play ball has eluded scientists and engineers for longer than expected, but you can already buy a hybrid graphene powerbank right now. Truly, the future is here.

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