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Warum Lithium-Ionen-Batterien noch lange dominieren werden
2010 Die Regenten der University of California, durch das Lawrence Berkeley National Laboratory.
Das US-Energieministerium ist starten eine große Forschungsanstrengung, um eine neue Generation von Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln, die weitgehend frei von Kobalt sind, einem seltenen und teuren Metall, das in zunehmendem Maße geliefert wird beunruhigende Lieferkette .
Das dreijährige Programm, Teil eines breitere Anstrengung fortschrittliche Fahrzeugtechnologien zu beschleunigen, könnte schließlich zu billigeren, langlebigeren Verbrauchergeräten, Elektroautos und Netzspeichern führen.
Der Materialwissenschaftler Gerd Ceder leitet ein Projekt im Rahmen des Forschungsprogramms des Lawrence Berkeley National Lab, das darauf abzielt, ungeordnete Steinsalze als alternatives Material für Kathoden, die positive Elektrode in einer wiederaufladbaren Zelle, zu entwickeln. Typischerweise benötigen die Kathoden in Lithium-Ionen-Batterien Kobalt, um eine Schichtstruktur in der Elektrode zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, die es Lithium-Ionen ermöglicht, leicht hindurchzufließen. Aber vor einigen Jahren stellten Ceder und seine Kollegen fest, dass diese neue Klasse von Materialien mehr Lithium speichern könnte, was möglicherweise die Energiedichte erhöht und gleichzeitig den Bedarf an Kobalt vollständig vermeidet (siehe Ungeordnete Materialien versprechen bessere Batterien).
Das Lawrence-Berkeley-Projekt sowie zwei im Argonne National Laboratory erhielten zusammen 12,5 Millionen Dollar vom Vehicle Technologies Office des DOE.
Im Gespräch mit MIT Technology Review diskutierte Ceder die Herausforderungen, um sicherzustellen, dass die neuen Materialien als Drop-in-Alternative für die Batterieherstellung funktionieren, die Gründe, warum die Lithium-Ionen-Technologie die Speicherung noch lange dominieren wird – und warum es so lange dauert, bis Batterien Fortschritte machen den Marktplatz zu erreichen.
Dieses Interview wurde für Platz und Klarheit bearbeitet.
Was sind die nächsten Schritte in der Entwicklung dieser neuen Klasse von Verbindungen? ?
Seit der ersten Entdeckung des Konzepts sind jetzt etwa vier Jahre vergangen, und es gibt mehr als ein Dutzend Verbindungen in dieser Kategorie, die bereits vielversprechende Eigenschaften gezeigt haben. Das ist also die Entdeckungsphase, in der jeder hingeht und alle möglichen Chemien ausprobiert, wie Lewis und Clark sie erforschen.
Der nächste Schritt ist, dass wir einige dieser vielversprechend aussehenden Materialien nehmen und sehen, ob wir all die kleinen Probleme lösen können, die gelöst werden müssen, bevor wir tatsächlich ein kommerzielles Produkt herstellen können.
Die Lade-Entlade-Ratenfähigkeit muss gut sein. Die Zyklenlebensdauer, die die Lebensdauer der Batterie bestimmt, muss verbessert werden.
Und dann lernen die Leute alle möglichen Verarbeitungstricks und Oberflächenbehandlungen, und so werden Batterien immer besser.
Aber ich würde sagen, dass einige dieser Materialien in die nächste Phase gehen werden. Es ist heutzutage wahrscheinlich eine unserer besten Wetten für Kathodenmaterialien mit höherer Energiedichte.
Warum dauert es so lange, bis Laborfortschritte bei der Speicherung tatsächlich auf den Markt kommen?
Es ist ein langer Weg, etwas zu einem kommerziellen Produkt zu machen, selbst wenn Sie die Entdeckung schneller machen. Bis zur Materialoptimierung, Prüfung, Kundenakzeptanz und all diesen Dingen ist es nur ein sehr langer Weg. Bis zu dem Punkt, dass selbst wenn ich heute etwas hätte, das im Labor perfekt funktioniert, Sie wahrscheinlich eine sechs- bis zehnjährige Plackerei hätten.
Jemand muss es vergrößern. Sie müssen es testen. Dann müssen sie es an einen Batteriehersteller, Zellenhersteller, weitergeben, der es zwei Jahre lang testet, und dann, wenn es ihnen endlich gefällt, machen sie vielleicht ein kleines Produkt daraus – etwas, das in einen Nischenmarkt geht, weil Sie wollen mit neuen Produkten kein Marktrisiko eingehen.
Vor ein paar Jahren Sie sagte dass Festkörperbatterien fast eine perfekte Batterie sind. Was denkst du heute?
Ich bin immer noch optimistisch, dass sie ein echter Game-Changer sind. Und ich denke, dass das ultimative Produkt so gut sein könnte, und das rechtfertigt, denke ich, die Anstrengung und den Druck darauf hin. Es könnte beginnen, wie die ideale Batterie auszusehen.
Allerdings haben wir und andere natürlich in den Jahren seitdem alle Probleme damit entdeckt, die es zu lösen gilt. Ich denke also immer noch, dass es derzeit eines der vielversprechendsten Dinge für die Energiespeicherung ist. Aber es gibt eine Menge Probleme, die gelöst werden müssen.
Diese Festkörperelektrolyte sind oft nicht stabil. Und niemand hat sich tatsächlich eine großartige Methode zur Herstellung von Festkörperbatterien ausgedacht.
Sie können sie im Labor herstellen, und Unternehmen können sogar einen Prototyp herstellen, aber das beweist nur, dass Sie es können. Es beweist nicht, dass Sie es wirtschaftlich tun können.
Viele davon sind technische Herausforderungen, und ich habe diese Art von Philosophie, dass technische Herausforderungen mit Geld gelöst werden. Wissenschaftliche Probleme fallen in eine ganz andere Kategorie. Es ist schwer, eine Zeitleiste für Erfindungen festzulegen.
Aber ich bin zuversichtlich, dass es passieren wird.
Ein weiterer Bereich, in dem wir in diesem Jahr einige bemerkenswerte Investitionen gesehen haben, ist die Netzspeicherung. Welche Forschungswege halten Sie dort für erfolgsversprechend?
Grid-Storage ist meiner Meinung nach ein ziemlicher Joker. Kurzfristig sehe ich nur, dass alles Lithium-Ionen ist. Der Grund dafür ist, dass es zuverlässig ist und Sie es heute bei zuverlässigen Anbietern kaufen können.
Sie können eine philosophische Diskussion darüber führen, ob dies die beste Form der Energiespeicherung für das Netz ist oder nicht. Aber wenn Sie PG&E sind, von wem werden Sie kaufen? Startup XYZ, das vielleicht in drei Jahren nicht mehr da ist, oder kaufen Sie bei LG Chem, CATL oder Samsung?
Ich schließe also nicht aus, dass andere Technologien ins Netz vordringen können, aber sie sollten die Konkurrenz des etablierten Betreibers nicht unterschätzen. Der Amtsinhaber ist immer ein Kraftpaket.
Das Gegenargument, das Sie hören, ist, dass es Grenzen gibt, wie billig Lithium-Ionen werden können – und es ist nicht die ideale Technologie, die für die Tage, Wochen oder sogar Monate der Speicherung geeignet ist, die Sie möglicherweise für das Netz benötigen (siehe Der 2,5-Billionen-Dollar-Grund, warum wir uns nicht auf Batterien verlassen können, um das Stromnetz zu bereinigen).
Lithium-Ionen sind bereits ziemlich billig. All diese anderen Technologien – obwohl sie auf dem Papier eine niedrige Kostenstruktur haben mögen, müssen sie dennoch dorthin gelangen. Startups brauchen hochwertige Märkte, und das Stromnetz ist kein besonders hochwertiger Markt.
Nehmen wir ein extremes Beispiel – schauen wir uns die saisonale Lagerung an. Wie viel sind Sie bereit für eine Kilowattstunde zu zahlen, die Sie von Juni auf Dezember verschieben? Unglaublich günstig muss das Ding sein.
Mir ist nicht klar, dass die Lösungen für diese Probleme in der klassischen elektrochemischen Speicherung zu finden sind. Nicht jedes Problem sollte mit Batterien gelöst werden.