Die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien und den damit verbundenen kritischen Mineralien hat Bedenken hinsichtlich der Verfügbarkeit von Ressourcen und der nachhaltigen Kostenentwicklung aufkommen lassen. Als Folge haben alternative Lösungen wie organische und Natrium-Ionen-Batterien im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung erhebliche Aufmerksamkeit erlangt. Unsere Forschung behandelt die Bedeutung einer kritischen Erkundung dieser Alternativen bereits auf Laborebene und schlägt eine Methodik vor, um ihre praktische Umsetzbarkeit in kommerziellen Batteriesystemen zu bewerten, unter Verwendung einer Kombination aus experimentellen Ergebnissen und Modellierung.
Wir betonen zunächst die Notwendigkeit einer Kosten- und Leistungsanalyse als grundlegenden Schritt in der Erforschung neuer Batteriematerialien. Es wird betont, wie wichtig es ist, diese Analyse bereits in der Entdeckungsphase der Materialien anzuwenden, um die Forschungsbemühungen auf praktische Lösungen auszurichten. Anhand einer Fallstudie zu Natrium-Ionen-Batterien zeigen wir, wie detaillierte Simulationen der Energiedichte und der Kosten die vielversprechendsten Kathodenmaterialien für reale Anwendungen effektiv identifizieren können.
Im Kontext von organischen Batterien konzentrieren wir uns dann auf n-Typ organische Materialien und bewerten ihre Eigenschaften auf Systemebene der Batterie. Eine umfassende Überprüfung relevanter Kathodenmaterialien wird durchgeführt, gefolgt von einer detaillierten Kosten- und Leistungsanalyse. Die Analyse berücksichtigt wichtige Designentscheidungen der Elektroden und hebt das Potenzial von n-Typ organischen Materialien als kostengünstige und nachhaltige Lösungen für die Energiespeicherung hervor, insbesondere im Fall von lithiumbereicherten, luftstabilen Materialien. Allerdings sind weitere Fortschritte notwendig, um diese Materialien zu optimieren und die Leistungslücke zu anorganischen Kathoden zu schließen.
P-Typ-Materialien für Batterien, die sowohl Kationen als auch Anionen in den Redoxreaktionen umfassen, werden ebenfalls untersucht, jedoch erfordert ihre Bewertung ein detailliertes Verständnis ihres Arbeitsprinzips, da es sich signifikant von Lithium-Ionen- und n-Typ organischen Batterien unterscheidet aufgrund des Verbrauchs des Elektrolytsalzes während des Ladevorgangs. Eine modifizierte Version des Doyle-Fuller-Newman-Modells wird vorgeschlagen, um die Variation der durchschnittlichen Salzkonzentration im Elektrolyten während des Lade- und Entladevorgangs zu simulieren. Das Modell berücksichtigt erfolgreich die einzigartigen Herausforderungen, die mit der Beteiligung von Anionen verbunden sind, und ermöglicht das Design praktischer P-Typ-Batterien (und allgemein von Dual-Ionen-Batterien) mit maximierter Kapazität und Energiedichte.
Abschließend demonstrieren wir die Anwendung dieser umfassenden Methodik anhand von experimentellen Ergebnissen zu Poly(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy methacrylat) (PTMA), einem vielversprechenden p-Typ-organischen Kathodenmaterial. Die laborbasierte Studie zeigt die Machbarkeit von Kathoden mit hoher aktiver Massebeladung und bemerkenswerter theoretischer Flächenkapazität für organische Batterien. Die detaillierten physikalischen Simulationen und die Kosten-Leistungsanalyse beleuchten die kritische Rolle des Elektrolyten und den Einfluss der Anionenbeteiligung am Redoxprozess von PTMA, um solche Batterien mit hoher Massebeladung in einem realistischen Szenario zu ermöglichen.
Zusammenfassend verdeutlichen unsere Ergebnisse die Notwendigkeit einer ganzheitlichen Herangehensweise, die über die Grenzen von Laborbatterien hinausgeht. Wir betonen die Herausforderungen, die mit der effektiven Umsetzung erfolgreicher experimenteller Ergebnisse in realen Konfigurationen einhergehen. Indem wir diese Herausforderungen erkennen, ebnen wir den Weg für die Entwicklung praktischer und wirtschaftlich machbarer post-Lithium-Ionen-Batterietechnologien. Unsere Studie stellt eine Methodik vor, die in zukünftigen Untersuchungen angepasst und eingesetzt werden kann und bietet einen vielversprechenden Weg zur Realisierung kostengünstiger und tragfähiger Batterielösungen für die Zukunft.
