Was sind die Entwicklungstrends bei Batterien?

Ternäre Lithiumbatterien, auch bekannt als „ternäre Polymer-Lithiumbatterien“, sind Lithiumbatterien, die ternäre Kathodenmaterialien wie Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM) oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) verwenden. Kobalt, das hauptsächlich zur Stabilisierung der Schichtstruktur des Materials und zur Verbesserung der Zyklen- und Geschwindigkeitsleistung verwendet wird, ist ein unverzichtbares Edelmetall in ternären Batterien.

Die Kosten waren schon immer ein Hindernis für die Entwicklung des Marktes für neue Energiefahrzeuge. Als zentrale Kostenkomponente steht seit jeher die „Power-Batterie“ im Mittelpunkt der Hoffnung auf Kostensenkung. Die Reduzierung des Kobaltanteils und -gehalts in ternären Lithiumbatterien wird entsprechend die Gesamtkosten des Fahrzeugs senken und die Auswirkungen von Kobaltpreisschwankungen auf Unternehmen abschwächen. Dies wird es den Unternehmen ermöglichen, von einem proaktiven zu einem reaktiven Ansatz überzugehen, was der Entwicklung des Marktes für neue Energiefahrzeuge zugute kommen wird.

Festkörperbatterien sind eine Art Batterietechnologie. Im Gegensatz zu den häufig verwendeten Lithium---Ionen- und Lithium---Ionen-Polymerbatterien verwenden Festkörperbatterien feste Elektroden und feste Elektrolyte.

Da die wissenschaftliche Gemeinschaft davon ausgeht, dass Lithium-Ionenbatterien an ihre Grenzen stoßen, gelten Festkörperbatterien seit Kurzem als potenzieller Nachfolger von Lithium-Ionenbatterien. Die Festkörper-Lithiumbatterietechnologie verwendet eine Glasverbindung aus Lithium und Natrium als leitfähiges Material und ersetzt den Elektrolyten herkömmlicher Lithiumbatterien, wodurch die Energiedichte von Lithiumbatterien erheblich verbessert wird.

Festkörperelektrolyte verfügen über ein hohes elektrochemisches Stabilitätsfenster, sodass sie mit Hochspannungs-Elektrodenmaterialien verwendet werden können, um die Energiedichte der Batterie weiter zu erhöhen. Festkörperelektrolyte verfügen außerdem über eine hohe mechanische Festigkeit und unterdrücken wirksam das Eindringen von Lithiumdendriten während des Batteriezyklus. Dadurch ist es möglich, metallisches Lithium, das eine hohe theoretische Energiedichte aufweist, als negatives Elektrodenmaterial zu verwenden. Ein Nachteil von Festkörperelektrolyten (eine aktuelle Entwicklungsherausforderung) ist der extrem hohe Festkörperkontaktwiderstand zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten.

Bei der Blade-Batterie handelt es sich um ein völlig neues Designkonzept, das lange Zellen verwendet und gleichzeitig die Zwischenmodulstufe eliminiert und die Zellen direkt in das Batteriesystem integriert. Dadurch werden Gewicht und Kosten effektiv reduziert, ähnlich wie bei der CTP-Technologie (Cell-to-Pack) von CATL. Das Batteriestrukturdesign von BYD orientiert sich unterdessen am Prinzip wabenförmiger Aluminiumplatten und verwendet Strukturklebstoff, um die Batteriezelle zwischen zwei Lagen Aluminiumplatten zu befestigen, wodurch die Zelle selbst als Strukturkomponente fungieren kann, um die Gesamtfestigkeit des Systems zu erhöhen.

(Herkömmliche quadratische Batterien vs. Blade-Batterien)

Das Produkt von Unternehmen C ist 148 mm lang, 79 mm dick und 97 mm hoch und weist eine innere Spiralstruktur auf, die einem Ziegelstein ähnelt. Die Blade-Batteriezelle ist 960 mm lang, 13,5 mm dick und 90 mm hoch und weist eine interne Stapelstruktur auf. Seine lange, dünne Form ähnelt einer Klinge, daher der Name „Klingenbatterie“.

Der Stapelprozess besteht darin, die positiven und negativen Elektroden in kleine Stücke zu schneiden, sie mit einem Separator zu kleinen Batteriezellen zu stapeln und diese kleinen Zellen dann parallel zu stapeln und zu verbinden, um eine große Batteriezelle zu bilden. Dabei handelt es sich um einen Herstellungsprozess für Li--Ionen-Batteriezellen.

Beispielsweise basieren Pouch-Lithiumbatterien auf einer „Stapelung“, beispielsweise einer „Z“--förmigen Stapelung. Zuerst werden die positiven und negativen Elektrodenmaterialien in rechteckige Blätter gleicher Größe geschnitten und dann auf einem Separator gestapelt. Der Separator verläuft in einer „Z“-Form zwischen den Elektroden, trennt sie und ist schließlich in eine Aluminium--Kunststoffverpackung eingewickelt.

ACEY-SSM-CBatteriestapelmaschineist ein Gerät, das auf den Stapelprozess von Polstücken von Lithium-Ionen-Batterien angewendet werden kann. Der Prozess des manuellen Ladens der Folie, der anschließenden Korrektur der Polstückposition und der Laminierung wird automatisch abgeschlossen, was sich durch eine hohe Laminiereffizienz und hohe Genauigkeit auszeichnet.

Der Stapelvorgang ist komplex, vor allem aufgrund des Zuschneidens der Elektrodenbleche und des Separators. Allerdings ist die Ausbeute beim Schneiden des Elektrodenblechs gering und es ist schwierig, eine hohe Gleichmäßigkeit der Qualität (Querschnitt, Grate usw.) aufrechtzuerhalten, und die Ausrichtungsgenauigkeit ist unzureichend. Dies stellt hohe Anforderungen an die Qualität des Fertigungsprozesses. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass sich Stapelbatterien nicht durchgesetzt haben.

Die CTP-Technologie, kurz für Cell To Pack, macht das Moduldesign überflüssig und integriert die Zellen direkt in ein Batteriepaket, das dann als Teil der gesamten Strukturkomponenten in den Fahrzeugboden integriert wird.

Dieser Ansatz reduziert die Menge an Material, das im Modul selbst verwendet wird, wie z. B. Seitenplatten, Endplatten (Modulstrukturkomponenten) und Träger (Batteriepack-Stützstrukturen), die ursprünglich zum Trennen und Verbinden von Modulen verwendet wurden. Dies vereinfacht die gesamte Batteriestruktur erheblich, schafft Platz, ermöglicht eine höhere Batteriepackkapazität bei gleicher Größe und reduziert das Gewicht des Batteriepacks, wodurch die Energiedichte der Batterie erhöht und die Kosten gesenkt werden.

Die CTP-Technologie verfolgt derzeit zwei unterschiedliche Ansätze. Es gibt zwei Hauptansätze: Erstens die vollständige Eliminierung von Modulen, beispielhaft dargestellt durch die Blade Battery von BYD; und zweitens die Integration kleiner Module in große Module, repräsentiert durch die CTP-Technologie von CATL.

BYD Blade Battery vs. CATL CTP

Die CTC-Technologie, kurz für Cell to Chassis, wurde von Zeng Yuqun, Vorsitzender von CATL, auf dem China Automotive Blue Book Forum wie folgt beschrieben: „Diese Technologie integriert die Batteriezelle und das Chassis und integriert darüber hinaus den Motor, das elektronische Steuerungssystem und Hochspannungskomponenten des Fahrzeugs wie DC/DC-Wandler und OBCs durch eine innovative Architektur. Außerdem optimiert sie die Stromverteilung und reduziert den Energieverbrauch durch einen intelligenten Power-Domain-Controller. CTC wird es Fahrzeugen mit neuer Energie ermöglichen, hinsichtlich der Leistung direkt mit Benzinfahrzeugen zu konkurrieren.“ Kosten, bieten mehr Platz für die Passagiere und verbessern die Passierbarkeit des Fahrgestells.

In gewissem Sinne kann CTC als eine Weiterentwicklung von CTP verstanden werden. Der Kern liegt darin, den Modul- und Verpackungsprozess zu eliminieren und die Batteriezelle direkt in das Fahrzeugchassis zu integrieren, wodurch ein höherer Integrationsgrad erreicht wird.

Traditionelle Technologie vs. CTP vs. CTC

Das Aufkommen von CTC durchbricht die Beschränkungen von PACK (Pack-Technologie) und betrifft direkt das Fahrzeugchassis, die kritischste Kernkomponente des gesamten Fahrzeugs. Es stellt einen Kernvorteil dar, den sich OEMs durch langfristige Entwicklung erworben haben, und ist etwas, das Batterieunternehmen/spezialisierte PACK-Unternehmen nur schwer unabhängig entwickeln können. Daher planen einige Batterielieferanten nun die Entwicklung von Fahrwerken.

Beim Giga Fest im vergangenen Jahr in seinem Berliner Werk stellte Tesla seine 4680 Structural Battery (CTC)-Lösung vor-Der 4680-Akku macht das Moduldesign überflüssig, da die Zellen dicht im Fahrzeugchassis angeordnet sind. Die Batterieabdeckung erfüllt die doppelte Funktion, die Batterie und den Fahrzeugboden abzudichten, und Sitze können direkt am Batteriepaket montiert werden.

Von kobaltfreien und Festkörperbatterien bis hin zu Blade-Batterien, Stapelprozessen und jetzt integrierten Technologien wie CTP/CTC weist die aktuelle Entwicklung der Batterietechnologie ein klares Hauptthema auf: das Streben nach maximaler Energiedichte, niedrigeren Kosten und höherer Integrationseffizienz bei gleichzeitiger Gewährleistung der Sicherheit.

Diese Technologien existieren nicht isoliert, sondern sind miteinander verflochten und entwickeln sich gemeinsam weiter. Beispielsweise zielt die kobalt-freie Technologie darauf ab, das Engpassproblem der Rohstoffkosten zu lösen; Festkörperbatterien gelten als Lösung der nächsten-Generation, um die Engpässe in Bezug auf Energiedichte und Sicherheit zu überwinden. Blade-Batterien und Stapelprozesse sind im Hinblick auf Zellstruktur und Herstellung innovativ. Die CTP/CTC-Technologie definiert die Beziehung zwischen Batterien und Fahrzeugen aus der Perspektive der Systemintegration neu und ist ein revolutionärer Schritt zur Verbesserung der Packeffizienz und zur Optimierung des Fahrzeugdesigns.

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