Durchbrüche bei Festkörperbatterien mit KI beschleunigen

Die schnell wachsende Welt der Batterietechnologie wird in den kommenden Jahren voraussichtlich einen Wert von über 100 Milliarden Dollar erreichen, dank der zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EVs), die Installation verschiedener Batterien und die Stromversorgung von Rechenzentren.

Unter den verschiedenen Batterietypen ist Lithium-Ionen mit einem Marktanteil von 44 % der beliebteste. Li-Ionen-Batterien sind wiederaufladbare Batterien, die in der heutigen Welt am häufigsten verwendet werden und neben Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen auch unsere Mobiltelefone, Laptops und andere Unterhaltungselektronik mit Strom versorgen.

Lithium-Ionen-Batterien bieten zwar viele Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Leitfähigkeit und hohe Energiedichte, haben aber Probleme mit der Lebensdauer. Die Sicherheit stellt eine weitere große Herausforderung dar, da sie einen flüchtigen, flüssigen Elektrolyten enthalten, der bei Beschädigung oder Überhitzung Feuer fangen kann.

Infolgedessen haben sich Festkörperbatterien (SSB) als Alternative zu Flüssigkörperbatterien (LSB) herauskristallisiert, die feste Elektrolyte nutzen, um Leckagen oder Gasbildung zu vermeiden.

Neben der höheren Sicherheit bieten solche Batterien auch die Vorteile der Miniaturisierung, sind leichter, lassen sich schneller aufladen, verfügen über eine hervorragende Verpackungseffizienz, funktionieren über einen weiten Temperaturbereich und sind lange haltbar.

Festkörperbatterien sind jedoch keine neue Erfindung. Sie wurden bereits im 19. Jahrhundert eingeführt, haben sich aber trotz ihrer langen Existenz noch nicht flächendeckend durchgesetzt. Das ändert sich nun endlich mit der zunehmenden Elektrifizierung und dem Bedarf an besseren und sichereren Alternativen zu den weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. 

Angesichts des erneuten Interesses an dieser Technologie optimieren Forscher Festkörperbatterien mithilfe eines vielschichtigen Ansatzes, der sich auf Materialien, Struktur und Schnittstellendesign konzentriert und gleichzeitig datengesteuerte KI-Techniken nutzt. 

Laufende Arbeit zur Verbesserung von SSBs

Forscher weltweit arbeiten intensiv daran, Festkörperbatterien zu verstehen und zu verbessern, um die Energieversorgung der Zukunft zu sichern. Einige aktuelle, bedeutende Studien auf diesem Gebiet sind:

Dekodierung von SSBs

Forscher der University of Missouri haben sich eingehend mit den Problemen von Festkörperbatterien und Möglichkeiten zu ihrer Überwindung befasst, um SSBs Wirklichkeit werden zu lassen.

Sie verwendeten 4D-Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM), um die atomare Struktur der Batterie zu analysieren, ohne sie zu zerlegen, und fanden heraus, dass die Zwischenphasenschicht die Ursache des Problems war.

Bei SSBs führt der Kontakt eines Festelektrolyten mit der Kathode zu einer Reaktion, die eine 100 nm dicke Zwischenphasenschicht bildet. Diese Schicht ist zwar 1,000-mal dünner als ein einzelnes Haar, blockiert aber den reibungslosen Übergang von Lithiumionen und Elektronen, was den Widerstand erhöht und die Batterieleistung beeinträchtigt.

Nach dieser Entdeckung will Assistenzprofessor Matthias Young nun testen, ob die Spezialität seines Labors – dünne Filme, die durch einen Prozess namens oxidative Molekularschichtabscheidung (oMLD) erzeugt werden – Schutzbeschichtungen bilden und dazu beitragen können, eine Reaktion zwischen dem Festelektrolyt und den Kathodenmaterialien zu verhindern. 

„Die Beschichtungen müssen dünn genug sein, um Reaktionen zu verhindern, aber nicht so dick, dass sie den Lithium-Ionen-Fluss blockieren“, sagte er. „Unser Ziel ist es, die Hochleistungseigenschaften der Festelektrolyte und Kathodenmaterialien zu erhalten. Unser Ziel ist es, diese Materialien gemeinsam zu verwenden, ohne ihre Leistung zugunsten der Kompatibilität zu beeinträchtigen.“

Erkundung des Potenzials von LLZO als fester Elektrolyt in SSLMB

In einer aktuellen Studie untersuchten Forscher der Tohoku-Universität Granat-Festelektrolyte für Festkörper-Lithium-Metall-Batterien (SSLMB), die aufgrund ihres Potenzials für eine verbesserte Energieeffizienz und Sicherheit als vielversprechende Technologie gelten.

Dabei stellte sich heraus, dass die von diesen Batterien erwarteten Vorteile bei der Energiedichte möglicherweise sogar überbewertet werden. 

Dieser Studie zufolge bietet eine Festkörper-Lithium-Metall-Batterie (ASSLMB) mit dem führenden Festelektrolytkandidaten LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid) nur eine marginale Steigerung der Energiedichte im Vergleich zu aktuellen Lithium-Ionen-Batterien und ist zudem mit hohen Produktionskosten und Herausforderungen bei der Herstellung verbunden.

Der Studie zufolge würde ASSLMB eine gravimetrische Energiedichte von 272 Wh/kg erreichen, verglichen mit den 250–270 Wh/kg bei Lithium-Ionen-Batterien, was quasi-Festkörperelektrolyte zu einer praktikableren Alternative macht.

Festkörper-Lithium-Metall-Batterien galten als die Zukunft der Energiespeicherung. Unsere Studie zeigt jedoch, dass LLZO-basierte Designs möglicherweise nicht den erwarteten Sprung in der Energiedichte ermöglichen. Selbst unter idealen Bedingungen sind die Vorteile begrenzt, und die Kosten- und Fertigungsherausforderungen sind erheblich.

– Leitender Studienautor Eric Jianfeng Cheng vom WPI-AIMR, Tohoku University

Obwohl die Ionenleitfähigkeit und Stabilität der LLZO-Batterie hoch geschätzt werden, stellte eine umfassende Modellierung einer praxistauglichen Batterie auf LLZO-Basis die Annahme in Frage, dass sie die Energiedichte deutlich erhöht. Selbst mit einem ultradünnen LLZO-Keramikseparator und einer Kathode mit hoher Kapazität ist die Leistung der Batterie laut Studie nur geringfügig besser als die der besten herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen.

Das Hauptproblem ist hier die Dichte von LLZO, die die Zellmasse erhöht und den erwarteten Energiegewinn reduziert. Hinzu kommen die Sprödigkeit des Materials, Probleme mit Lithiumdendriten, Probleme bei der Herstellung fehlerfreier dünner Schichten und Hohlräume an der Schnittstelle, die eine großtechnische Umsetzung erschweren. Laut Cheng:

„LLZO ist aus Stabilitätsgründen ein hervorragendes Material, aber seine mechanischen Einschränkungen und sein Gewichtsnachteil stellen ernsthafte Hindernisse für die Kommerzialisierung dar.“

Dabei zeigte die Kombination des Materials mit Elektrolyten auf Gel- oder Polymerbasis eine bessere Langzeitstabilität.

Entdeckung vielversprechender Festelektrolyte

Forscher der Tokyo University of Science entdeckten außerdem neue Materialien für sichere, leistungsstarke SSLIBs.

„Die Herstellung von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien in Festkörperbauweise war für viele Batterieforscher ein lang gehegter Traum“, sagte Professor Kenjiro Fujimoto und wies darauf hin, dass sie einen Oxid-Festelektrolyten entdeckt hätten, der eine Schlüsselkomponente von ASSLIBs sei. 

Das Material (Li1.25La0.58Nb2O6F) ist äußerst stabil und weist bei Raumtemperatur eine Gesamtionenleitfähigkeit von 3.9 mS cm⁻¹ auf, die höher ist als bei zuvor gemeldeten Oxid-Festelektrolyten, während es gleichzeitig eine extrem niedrige Aktivierungsenergie aufweist.

Darüber hinaus entzündet es sich bei Beschädigung nicht, wodurch sich das neue Material für sicherheitskritische Anwendungen eignet. Da es bei hohen Temperaturen einsetzbar ist und schnelles Aufladen unterstützt, eignet es sich auch für Anwendungen mit hoher Kapazität wie Elektrofahrzeugen.

„Die Anwendung dieses Materials ist vielversprechend für die Entwicklung revolutionärer Batterien, die in einem breiten Temperaturbereich von niedrig bis hoch betrieben werden können.“

– Prof. Fujimoto

Unterdessen entwickelten Forscher der Osaka Metropolitan University Ende letzten Jahres Na2.25TaCl4.75O1.25 als neuen Festelektrolyten.

Die Forscher hatten zuvor den Festelektrolyten NaTaCl6 entwickelt, eine Kombination aus Natriumchlorid und Tantalchlorid. Dieses Mal fügte das Team Tantalpentoxid (Ta2O5) hinzu, wodurch sie eine hohe Leitfähigkeit bei Raumtemperatur erreichten. 

Es weist außerdem eine hohe Formbarkeit sowie eine höhere elektrochemische Stabilität als herkömmliche Chloride auf.

„Die Ergebnisse dieser Forschung werden voraussichtlich einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung von Verbundfestelektrolyten leisten, zusätzlich zu den bisher entwickelten Glas- und Kristallfestelektrolyten.“

– Assistenzprofessor Kota Motohashi von der Graduate School of Engineering

Sie konzentrieren sich nun darauf, den Ionenleitungsmechanismus von zusammengesetzten Festelektrolyten zu veranschaulichen und weitere Materialien zu entwickeln.

Ändern der Struktur, Entfernen der Komponenten

Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign fanden heraus, dass die helikale Struktur die Leitfähigkeit von Festkörper-Peptidpolymerelektrolyten im Vergleich zu „Random Coil“-Elektrolyten deutlich steigerte, wobei längere Helices zu einer höheren Leitfähigkeit führten. Zudem erhöhte die helikale Struktur die allgemeine Spannungs- und Temperaturstabilität des Materials.

„Wir haben das Konzept eingeführt, die Sekundärstruktur – die Helix – zu nutzen, um die grundlegende Materialeigenschaft der Ionenleitfähigkeit in festen Materialien zu gestalten und zu verbessern.“

– Studienleiter Professor Chris Evans

Dies ist die gleiche Helix, die in biologischen Peptiden vorkommt. Da das Material aus Peptiden besteht, kann es nach dem Ende seiner Lebensdauer mithilfe von Säure oder Enzymen wieder in einzelne Monomereinheiten zerlegt und die Ausgangsstoffe zurückgewonnen und wiederverwendet werden, was die Batterie umweltfreundlich macht.

In einer weiteren interessanten Studie entwickelten Forscher die erste anodenfreie Natrium-Festkörperbatterie mit stabiler Zyklenstabilität über mehrere hundert Zyklen. Die kostengünstige, schnell aufladbare Batterie mit hoher Kapazität kann zur Dekarbonisierung der Wirtschaft beitragen.

Das Entfernen der Anode erforderte eine innovative Architektur, daher entwickelte das Team einen Stromkollektor aus Aluminiumpulver, das zwar fest ist, aber wie eine Flüssigkeit fließen kann und den Elektrolyten umgibt.

„Natrium-Festkörperbatterien werden üblicherweise als eine Technologie angesehen, die noch weit in der Zukunft liegt. Wir hoffen jedoch, dass diese Arbeit den Vorstoß in den Natriumbereich beflügeln kann, indem sie zeigt, dass sie tatsächlich gut funktionieren kann, in manchen Fällen sogar besser als die Lithium-Version.“

– Erstautor Grayson Deysher, Doktorand an der UC San Diego

Es ist an der Zeit, mithilfe von KI schnell die besten Kandidaten für feste Elektrolyte zu finden

Im Rahmen dieser umfangreichen laufenden Forschung zu verschiedenen Aspekten von Festkörperbatterien, insbesondere Elektrolyten, um diese zu verbessern und ihre Verbreitung voranzutreiben, machen Wissenschaftler nun auch von künstlicher Intelligenz Gebrauch.

Elektrolyt ist eine der wichtigsten Batteriekomponenten. Es transportiert ladungstragende Teilchen, sogenannte Ionen, zwischen den beiden Elektroden der Batterie hin und her und sorgt so für das Laden und Entladen der Batterie. 

Der Schwerpunkt liegt daher auf der Verbesserung der Leistung des Festkörperelektrolyten (SSE), was eine Verbesserung der Ionenleitfähigkeit, Stabilität und Lebensdauer mit sich bringt. Allerdings erschweren die Einschränkungen der aktuellen Materialien die Erzielung dieser Verbesserungen. 

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen leistungsstarke SSE-Materialien entwickelt werden, die das volle Potenzial von Festkörperbatterien freisetzen.

Metalloxide und -sulfide gehören zu den am häufigsten untersuchten Materialien mit vielversprechenden SSEs. Besonders hilfreich ist dabei die Untersuchung von Hydriden als SSEs, die eine hohe Redox- und mechanische Stabilität sowie eine durchschnittliche zweiwertige Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur aufweisen. 

Dank ihrer hohen Ionenleitfähigkeit und niedrigen Aktivierungsenergie haben sich Hydride als vielversprechend für die Entwicklung von SSE erwiesen. Metallhydride bieten aufgrund der geringen Masse der Wasserstoffatome deutliche Vorteile. 

Das geringe Gewicht von Wasserstoff und das komplexe Verhalten zweiwertiger Hydride stellen jedoch Herausforderungen bei der Synthese und Strukturcharakterisierung dar und verdeutlichen die Grenzen der derzeitigen experimentellen Techniken. 

Die Herausforderung besteht darin, dass die experimentelle Entdeckung von SSE auf ineffizienten und zeitaufwändigen Versuch-und-Irrtum-Methoden beruht. Um dieses Problem zu lösen, benötigen wir computergestützte Forschung, um die Ionenmigrationsmechanismen zu verstehen und neue Festkörperelektrolyte zu entdecken.

Theoretische Ansätze bieten tendenziell systematischere und schnellere Möglichkeiten zur Erforschung von Materialeigenschaften. Hinzu kommen Fortschritte bei großen Sprachmodellen (LLMs), die datenbasierte Methoden weiter verbessern und theoretische Vorhersagen verbessern.

Dennoch ist es aufgrund der Komplexität der SSE-Materialien eine Herausforderung, mit theoretischen Methoden eine hohe Genauigkeit zu erreichen. Der Fokus der aktuellen Forschung auf ein einzelnes Material oder eine einzelne Methode schränkt zudem das umfassende Verständnis von SSEs ein.

Wie können wir theoretische Erkenntnisse besser nutzen, um effizientere Experimente zu entwickeln? Und welcher optimale Arbeitsablauf verbindet theoretische Modellierung nahtlos mit experimenteller Validierung? Die Antwort liegt in der Kombination rechnerischer und experimenteller Informationen.

Um die Hindernisse bei zweiwertigen SSEs zu überwinden, die vielversprechend für leistungsstarke Festkörperbatterien (ASSBs) sind, haben Forscher in einer neuen Studie einen integrierten Arbeitsablauf entwickelt, der Data Mining, KI-gesteuerte Analyse, Regression durch maschinelles Lernen, globale Struktursuche, Ab-initio-Metadynamiksimulationen (MetaD) und Theorie-Experiment-Benchmarking kombiniert.

Ziel dieser Forschung ist es, unser Verständnis zweiwertiger SSEs zu verbessern und einen robusten Rahmen für die Vorhersage und Entwicklung neuer SSE-Kandidaten zu schaffen. Dies wird wiederum die Entdeckung optimierter SSE-Optionen beschleunigen und so die Entwicklung tragfähiger Energiespeichertechnologien vorantreiben.

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Auf dem Weg zu SSBs der nächsten Generation für nachhaltige Energielösungen

Um leistungsfähigere und nachhaltigere Festkörperbatterien zu bauen, haben die Forscher der Tohoku-Universität haben ein datengesteuertes KI-Framework entwickelt¹. 

Im Gegensatz zum herkömmlichen Ansatz, bei dem jedes Material getestet und dann nach und nach die entsprechenden Vorgehensweisen festgelegt werden, werden in diesem Rahmen potenzielle Kandidaten für Festkörperelektrolyte (SSE) ermittelt, die möglicherweise „die Richtigen“ für die ideale Lösung für nachhaltige Energien sind.

Das entwickelte Modell wählt nicht nur optimale Kandidaten aus, sondern kann auch den Reaktionsverlauf vorhersagen. Darüber hinaus zeigt es, warum ein bestimmter Kandidat eine gute Wahl ist, indem es Einblicke in mögliche Mechanismen liefert und Forschern so den Einstieg erleichtert, noch bevor sie das Labor betreten.

Professor Hao Li vom Advanced Institute for Materials Research bemerkte:

„Das Modell übernimmt im Wesentlichen die ganze Versuch-und-Irrtum-Arbeit für uns. Es greift auf eine große Datenbank aus früheren Studien zurück, um alle potenziellen Optionen zu durchforsten und den besten SSE-Kandidaten zu finden.“

Das fortschrittliche KI-Framework des Teams ist mit dem Large Language Model (LLM) integriert, einem maschinellen Lernmodell, das anhand riesiger Datenmengen vortrainiert ist. LLMs sind für ihre hervorragende Fähigkeit bekannt, menschliche Sprache zu verarbeiten, zu verstehen und zu generieren.

Durch die Einbeziehung weiterer datenbasierter Techniken greift das Vorhersagemodell sowohl auf rechnerische als auch auf experimentelle Daten zurück. Auf diese Weise bietet die Studie den Forschern eine solide Option mit dem besten Ergebnis.

Die Studie soll nicht nur die Entwicklung leistungsstarker, nachhaltiger Festkörperbatterien beschleunigen, sondern auch die komplexen Struktur-Leistungs-Beziehungen von Festkörperbatterien verstehen. Diese Beziehung umfasst Faktoren wie Ionenleitfähigkeit, Stabilität und Elektrodenkompatibilität und wird häufig durch computergestützte Modellierung, experimentelle Analyse und datenbasierte Ansätze untersucht.

Das vom Team entwickelte Modell ermöglicht die Vorhersage von Aktivierungsenergien, die Bestimmung stabiler Kristallstrukturen und verbessert den gesamten Arbeitsablauf der Forscher. Die Studienergebnisse zeigen, dass MetaD eine hervorragende Berechnungsmethode ist und weitgehend mit experimentellen Daten für komplexe Hydrid-SSEs übereinstimmt.

Forscher haben außerdem ein neues Ionentransfersystem identifiziert. Der „Zwei-Schritt-Mechanismus“ wurde in beiden SSEs entdeckt, die durch die Integration neutraler Moleküle entstehen.

Durch die Kombination von Merkmalsanalyse und multipler linearer Regression gelang es dem Team, präzise Vorhersagemodelle für die schnelle Bewertung der Hydrid-SSE-Leistung zu entwickeln. Noch wichtiger ist, dass das Framework eine genaue Vorhersage von Kandidatenstrukturen ermöglicht, ohne von experimentellen Eingaben abhängig zu sein. 

Insgesamt bietet die Studie wichtige Erkenntnisse sowie fortschrittliche Methoden für die effiziente Entwicklung und Optimierung von Festkörperbatterien der nächsten Generation.

Dies sind jedoch nur die ersten Schritte hin zu nachhaltigen Energielösungen. Das Team plant, die Anwendung seines Frameworks auf verschiedene Elektrolytfamilien auszuweiten. Das Team erwartet, dass generative KI-Tools bei der Untersuchung von Ionenmigrationswegen und Reaktionsmechanismen hilfreich sein werden und so die Vorhersagekraft der Plattform verbessern.

Investitionen in den Markt für Feststoffbatterien

Wenn es um ein investierbares Unternehmen im aufstrebenden Markt für Festkörperbatterien geht, ist QuantumScape als wichtiger Akteur mit Schwerpunkt auf Lithium-Metall-Technologie führend. Der firmeneigene Festkörper-Keramikseparator wurde entwickelt, um die Energiedichte, die Ladegeschwindigkeit und die Sicherheit zu verbessern und gleichzeitig kritische Probleme wie Dendritenbildung zu verhindern, die den Einsatz von Lithium-Metall-Anoden bisher eingeschränkt hat.

QuantumScape Corporation (QS )

Die QuantumScape Corporation entwickelt SSB-Technologie für Elektrofahrzeuge und strebt die Position als Erstausrüster (OEM) an. Das Unternehmen hat bereits Partnerschaften mit dem großen Automobilhersteller Volkswagen Group und seiner Tochtergesellschaft PowerCo geschlossen.

Obwohl QuantumScape mit Herausforderungen bei der Kommerzialisierung konfrontiert ist, bleibt es ein großer Name in der Branche. Im vergangenen Jahr begann das Unternehmen mit der Produktion von Mustern seiner verschiedenen SSB-Produkte und plant, in diesem Jahr noch mehr davon zu produzieren.

Bei einer Marktkapitalisierung von 2.2 Mrd. US-Dollar notieren die QS-Aktien derzeit bei 3.90 US-Dollar und sind damit seit Jahresbeginn um über 25 % gefallen. Der Gewinn pro Aktie (EPS) liegt bei -0.91 und das KGV (KGV) bei -4.30.

Für das erste Quartal 1 meldete das Unternehmen Investitionen in Höhe von 2025 Mio. US-Dollar, GAAP-Betriebskosten in Höhe von 5.8 Mio. US-Dollar und einen GAAP-Nettoverlust von 123.6 Mio. US-Dollar. Das Unternehmen schloss das Quartal mit einer Liquidität von 114.4 Mio. US-Dollar ab, wobei die Liquidität voraussichtlich bis in die zweite Jahreshälfte 860.3 reichen wird.

In diesem Jahr möchte das Unternehmen den Cobra-Separatorprozess in die Basisproduktion bringen, die Qualität und Leistung der QSE-5-Proben verbessern und QSE-5-Zellen ausliefern, um seine außergewöhnliche Leistungsfähigkeit in einer realen Anwendung unter Beweis zu stellen.

Neuigkeiten zur QuantumScape Corporation

Fazit

Da Batterien eine Schlüsselrolle bei der Stromversorgung von Elektronik, Elektrofahrzeugen und Energiesystemen spielen, ist die Entwicklung von Energiematerialien der nächsten Generation für eine nachhaltige Zukunft erforderlich. Festkörperbatterien bieten zwar eine vielversprechende Lösung, ihre Entwicklung steht jedoch vor erheblichen technischen Herausforderungen. Die Entwicklung von Festkörperbatterien erfordert eine Verbesserung der Leistung des Festkörperelektrolyten (SSE). 

Daher wird die Forschung zu SSEs intensiviert und dank des neuen datenbasierten KI-Modells weiter beschleunigt. Basierend auf umfangreichen Datensätzen und fortschrittlichen Simulationstechniken hilft das Framework Forschern, SSEs mit beispielloser Geschwindigkeit und Genauigkeit zu identifizieren und zu optimieren. Diese Konvergenz von Materialwissenschaft und maschinellem Lernen birgt enormes Potenzial für die Entwicklung leistungsstarker und nachhaltiger Festkörperbatterielösungen für die Zukunft der sauberen Energie.

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Zitierte Studien:

1. Wang, Q., Yang, F., Wang, Y., Zhang, D., Sato, R., Zhang, L., Cheng, EJ, Yan, Y., Chen, Y., Kisu, K., Orimo, S. & Li, H. (2025). Aufklärung der Komplexität zweiwertiger Hydridelektrolyte in Festkörperbatterien mithilfe eines datengesteuerten Frameworks mit großem Sprachmodell. Angewandte Chemie Internationale Ausgabe, 64(22), e202506573. https://doi.org/10.1002/anie.202506573