Warum Energiedichte wichtig ists im Drohnen-/UAV-Markt
Das exponentielle Wachstum der Drohnenindustrie hängt maßgeblich von Fortschritten in der Batterietechnologie ab. Eine extrem hohe Energiedichte wird zu einem entscheidenden Faktor für längere Flüge und vielseitigere Anwendungen.
Eine höhere Energiedichte bedeutet, dass Drohnen länger fliegen und mehr Gewicht tragen können. Diese Fähigkeit ist von entscheidender Bedeutung für die Ausweitung des Drohneneinsatzes über die Fotografie hinaus auf Transport, Überwachung und Umweltüberwachung.
Vorteile für kommerzielle Drohnens & Umweltauswirkungen
Kommerzielle Drohnen, insbesondere solche, die bei der Paketzustellung und bei Industrieinspektionen eingesetzt werden, profitieren enorm von Batterien mit hoher Energiedichte. Sie können mit einer einzigen Ladung längere Strecken zurücklegen, was sie effektiver und kosteneffizienter macht.
Batterien mit hoher Energiedichte sind außerdem umweltfreundlicher. Sie halten länger und reduzieren die Häufigkeit des Batteriewechsels, wodurch sich der ökologische Fußabdruck des Drohnenbetriebs verringert.
Wie hoch ist die Energiedichte einer Batterie?
Die Energiedichte gibt an, wie viel Energie in einer Raumeinheit oder einer Masseneinheit der Materie gespeichert ist. Die Energiedichte einer Batterie gibt an, wie viel elektrische Energie von der durchschnittlichen Volumeneinheit oder Masse der Batterie freigesetzt wird, die im Allgemeinen in zwei Dimensionen unterteilt wird: Gewichtsenergiedichte und Volumenenergiedichte.
Die Gewichtsenergiedichte der Batterie kann einfach mit dieser Formel berechnet werden: Nennspannung (V) * Nennkapazität (Ah) / Batteriegewicht (kg)=spezifische Energie oder Energiedichte (Wh/kg).
Die Energiedichte verschiedener Arten von wiederaufladbaren Batterien ist wie folgt:
Die Energiedichte von Blei-Säure-Batterien liegt zwischen 50 und 70 Wh/kg;
Die Energiedichte von Nickel-Cadmium-Batterien liegt zwischen 50 und 80 Wh/kg;
Die Energiedichte von Nickel{0}}-Metallhydridbatterien liegt zwischen 60 und 140 Wh/kg;
Die Energiedichte von Lithium-{0}}Ionen-Batterien liegt zwischen 150 und 300 Wh/kg;
Blei-Säurebatterien haben eine niedrige Energiedichte. Wenn damit ein Familienauto über mehr als 200 km gefahren wird, werden fast 1 Tonne Batterien benötigt, was zu schwer ist, um als Energiequelle für Elektrofahrzeuge verwendet zu werden. Ein weiterer Grund ist, dass Pb giftig und nicht umweltfreundlich ist und die Zyklenleistung von Blei-Säure-Batterien schlecht ist. Dagegen liegt die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien bei etwa 150–300 Wh/kg, was viel höher ist als die von Blei-Säure-Batterien, ebenso wie die Zyklenleistung. Daher sind Lithium-Ionen-Batterien die beste Wahl für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen mit neuer Energie.
Derzeit gibt es auf dem Markt zwei technische Hauptrouten für Lithiumbatterien mit hoher{0}}Energie-: wirtschaftliche LiFePO4-Batterien und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Batterien (NMC) der mittleren bis -gehobenen Preisklasse.
Im Jahr 2015 waren LiFePO4-Batterien der Mainstream des Marktes. Damals lag die Energiedichte der meisten LiFePO4-Batteriesysteme auf dem Markt bei etwa 70-90 Wh/kg, während die Energiedichte von NMC-Batterien viel höher war und 130 Wh/kg erreichte. Um den reichweitenempfindlichen Pkw-Markt schnell zu öffnen, schlug die chinesische Regierung 2016 zunächst vor, die Batterieenergiedichte als Referenzindikator in der Subventionspolitik für neue Energiefahrzeuge zu verwenden. Je höher die Energiedichte, desto mehr Subventionen. Die Marktstruktur von LiFePO4-Batterien und NMC-Batterien begann sich zu verändern, und große Automobilhersteller begannen, NMC-Batterien in großem Umfang zu ersetzen. Seit Juni 2019, mit dem Wegfall der Subventionen und den hohen Produktionskosten von NMC-Lithiumbatterien, sind die LiFePO4-Batterien wieder die wichtigste Energielösung auf dem Markt. Um sich an die Marktentwicklung anzupassen, haben alle großen Batteriehersteller eine Zwei-Linien-Strategie von LiFePO4 + NMC gestartet. Mittlerweile hat der LiFePO4-Akku eine Energiedichte von 210Wh/kg erreicht.
Welche GrenzeHrsgDieEnergiedichte von Lithium-Polymer-Batterien?
Es gibt vier Hauptteile einer Lithiumbatterie: Anode, Kathode, Elektrode und Membran, die alle die Energiedichte der Batterie beeinflussen. Und die Elektroden sind die Orte, an denen chemische Reaktionen stattfinden. Der Schlüssel zur Verbesserung der Energiedichte von Batterien liegt in der Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien und der Verbesserung der Produktionsprozesse.
Aus dem oben Gesagten können wir erkennen, dass die Energiedichte von Lithiumbatterien aus LiFeO4 und dem ternären Material Ni Co Mn sehr unterschiedlich ist. Unterschiedliche Verhältnisse von Ni, Co und Mn in ternären Materialien führen auch zu Unterschieden in der Batterieleistung. Je höher der Ni-Anteil ist, desto höher ist die spezifische Kapazität der Batterie. Die derzeit geförderten Batterien mit hohem Ni-Positivkathodensystem haben eine Massenenergiedichte zwischen 240 und 300 Wh/kg (Volumenenergiedichte 560 Wh/l bis 650 Wh/l).
Das gängige Anodenmaterial auf dem Markt für Lithiumbatterien ist hauptsächlich Graphit (Material auf Kohlenstoff--Basis), aber die aktuelle Energiespeicherung von Materialien auf Kohlenstoff--Basis liegt nahe an der theoretischen Obergrenze. Die spezifische Kapazität von Anodenmaterialien auf Siliziumbasis kann 4200 mAh/g erreichen, was viel höher ist als die theoretische spezifische Kapazität von Graphitanoden von 372 mAh/g. Mit der Einführung der Silizium-Kohlenstoff-Anode wird die Massenenergiedichte der Batteriezelle auf 300–400 Wh/kg (Volumenenergiedichte 630 Wh/L–750 Wh/L) erhöht und wird so zu einem leistungsstarken Ersatz für die Graphitanode.
Abschluss
Die Zukunft sieht vielversprechend aus mit der möglichen Integration von Technologien, die die Energiedichte von Drohnenbatterien weiter steigern könnten. Die extrem hohe Energiedichte in Drohnenbatterien ist nicht nur eine technische Verbesserung, sondern auch ein Wandel, der die nächste Generation von Drohnen antreiben wird. Die Weiterentwicklung dieser Technologie wird neue Möglichkeiten eröffnen und die Leistungsfähigkeit von Drohnen neu definieren. Seien wir bereit für die baldige Ankunft einer neuen Generation!
