Elektrolyt

Festkörperbatterien verwenden in der Regel feste Materialien wie Keramik, Glas oder polymere Werkstoffe als Elektrolyte. Diese festen Materialien haben sehr stabile Strukturen und werden bei hohen oder niedrigen Temperaturen nicht so leicht zersetzt oder beschädigt, was sie weniger anfällig für ein thermisches Durchgehen macht. Ihre Leitfähigkeit ist jedoch relativ gering, und der Grenzflächenkontakt muss noch weiter optimiert werden.

Lithium-Ionen-Batterien verwenden in der Regel flüssige oder gelartige Elektrolyte aus organischen Lösungsmitteln, die in Lithiumsalzen gelöst sind. Flüssige Elektrolyte haben zwar eine ionische Leitfähigkeit und unterstützen das Laden und Entladen mit hohen Strömen, bergen aber auch ein gewisses Risiko des Auslaufens. Wenn die Batterie physisch beschädigt oder überladen wird, kann der flüssige Elektrolyt leicht zu Situationen wie Feuer oder Explosion führen.

Die Energiedichte

Die Energiedichte von Festkörperbatterien in praktischen Anwendungen liegt zwischen 300 und 400 Wh/kg. Wenn die technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Ionenleitfähigkeit von Festelektrolyten und der Grenzflächenstabilität überwunden werden können, dürfte sie schrittweise auf den theoretischen Wert von 500 Wh/kg ansteigen.

Lithium-Ionen-Batterien, die durch die Eigenschaften von flüssigen Elektrolyten und Graphitanoden begrenzt sind, haben in der Praxis eine Energiedichte von etwa 150 bis 250 Wh/kg. Einige Lithium-Ionen-Batterien, die fortschrittlichere Materialien und Verfahren verwenden, können Energiedichten von bis zu 300 Wh/kg erreichen.

Kapazität

Einige Labor-Festkörperbatterien haben eine Kapazität erreicht, die 20-30% höher ist als die von Lithium-Ionen-Batterien, und sie weisen eine langsamere Degradation bei langfristiger Nutzung auf. Diese Technologie ist noch nicht ausgereift und wird derzeit durch die Herstellungsmaterialien und -verfahren eingeschränkt, so dass noch viel Raum für Verbesserungen bleibt.

Die Standardkapazität von Lithium-Ionen-Batterien liegt in der Regel zwischen 1000 mAh und 5000 mAh, während Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien bis zu 8000 mAh erreichen können. Mit zunehmender Anzahl von Lade- und Entladezyklen nimmt die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien allmählich ab, und ihre langfristige Erhaltungsrate ist nicht so gut wie die von Festkörperbatterien.

Sicherheit

Der Festelektrolyt in Festkörperbatterien läuft nicht aus, ist nicht entflammbar, hat eine gute Wärmestabilität und kann ein gewisses Maß an physischer Beschädigung aushalten, wodurch die Brand- und Explosionsgefahr wirksam verringert wird. Darüber hinaus haben Festkörperbatterien eine stabilere Struktur, bei der Leistungseinbußen oder Sicherheitsprobleme aufgrund der Zersetzung des Elektrolyts oder der Verschlechterung des Elektrodenmaterials weniger wahrscheinlich sind. Sie sind auch in geringerem Maße von Schutzsystemen abhängig.

Der flüssige Elektrolyt in Lithium-Ionen-Batterien birgt dagegen ein erhöhtes Risiko des Auslaufens, wenn er äußeren Einflüssen ausgesetzt ist. Flüssige Elektrolyte sind entflammbar und können leicht zu Kurzschlüssen führen; in Umgebungen mit hohen Temperaturen neigen sie zur Zersetzung, was zu einem thermischen Durchgehen und möglicherweise zu einem Brand oder einer Explosion führt. Außerdem sind Lithium-Ionen-Batterien in hohem Maße auf Batteriemanagementsysteme angewiesen, um ihre Sicherheit zu erhöhen.

Lebenserwartung

Festkörperbatterien haben eine lange Lebensdauer, die mehrere tausend Zyklen übersteigen kann. Sie zeichnen sich durch eine lange Haltbarkeit aus und können auch nach längerem Gebrauch eine hohe Kapazität und Leistung beibehalten.

Im Gegensatz dazu haben Lithium-Ionen-Batterien eine relativ kurze Lebensdauer, die etwa 800 bis 1500 Lade- und Entladezyklen zulässt. Leistungsstärkere Lithium-Ionen-Batterien können 2000 Zyklen überschreiten. Darüber hinaus nimmt nach langfristiger Nutzung ihre Kapazitätserhaltung aufgrund der Zersetzung und Verschlechterung der internen Materialien ab, was sich in gewisser Weise auf die Leistung auswirkt.