Batterie‑Durchbruch bringt Festkörpervarianten einen Schritt näher an die Realität

Festkörperbatterien zur Erreichung der EV-Dominanz

Während Lithium‑Ion‑Batterien zur dominierenden Lösung für EV‑Batteriesysteme geworden sind, weisen sie einige Einschränkungen auf.

Eine davon ist die noch nicht besonders hohe Energiedichte, und eine weitere ist ein Sicherheitsproblem, das mit dem Wachstum von Dendriten zusammenhängt, die die Batterie durchdringen, wobei das Elektrolyt manchmal Feuer fängt.

Quelle: Nobel Prize

Beide Probleme sollen mit Festkörperbatterien gemindert werden, die den Bedarf an Elektrolyten und das Risiko von Dendriten beseitigen.

Toyota prognostiziert die Nutzung dieser Festkörperbatterien bis 2027, und insgesamt scheint es ein solider Kandidat für die Zukunft der Mobilität zu sein.

Dennoch bleibt ein Problem bestehen, insbesondere beim granattypischen Festelektrolyten, auch bekannt als Li7La3Zr2O12 oder LLZO (siehe unten).

Es ist also eine gute Nachricht, dass vier Forscher der McGill University in Kanada angekündigt haben, dass sie ein neues LLZO‑Design entwickelt haben, das eine höhere Energiemenge liefern kann. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Cell Reports Physical Science in einem Papier mit dem Titel “4,8‑V All‑Solid‑State granatbasierte Lithium‑Metall‑Batterien mit stabiler Schnittstelle“.

Festkörperelektrolyt

LLZO

Man sagt häufig, dass Festkörperbatterien keine Elektrolyte benötigen. Das ist technisch korrekt, wenn man sich auf den in Lithium‑Ion‑Batterien üblichen flüssigen Elektrolyten bezieht.

Aber natürlich benötigt jede Batterie irgendeine Art von Brücke zwischen Anode und Kathode, um zu funktionieren. Es gibt drei Arten von Festkörperelektrolyten (SEs): keramische, polymerbasierte und Verbund‑SEs (CSEs).

Die Verbund‑Festkörperelektrolyte (CSEs) kombinieren polymerbasierte SEs mit ionisch leitfähigen anorganischen Füllstoffen wie Li7La3Zr2O12 (LLZO), um den Lithium‑Ion‑Transport zu erleichtern.

Obwohl diese Methode für den Hochspannungsbetrieb in dichten Batterien ideal ist, leidet sie unter schlechtem Kontakt zur Elektrode, was die Gesamteffizienz verringert.

Porous LLZO

Was die Forscher entdeckten, ist, dass LLZO aus einer porösen Keramikmembran hergestellt werden kann, anstelle der üblichen festen Platte. In technischeren Begriffen:

Hier entwerfen wir einen hochleitfähigen und schnittstellenfreundlichen, granatbasierten Verbund‑Festelektrolyten (CSE), der ein kubisches Li6.1Al0.3La3Zr2O12‑poröses Gerüst und Polyvinylidenfluorid (PVDF) mit einer dreidimensionalen kontinuierlichen Struktur umfasst.

Visuell entspricht dies einer sehr komplexen 3‑D‑Struktur voller kleiner Löcher im mikroskopischen Maßstab:

Quelle: Cell

Dies schafft viel Oberflächenkontakt für das Lithium‑Ion, während es gleichzeitig eine starke Haftung an der Elektrode bietet.

Quelle: Cell

Stabilere & langlebigere Batterien

Festkörperbatterien sind insgesamt deutlich leistungsfähiger und energiedichter als Lithium‑Ion‑Batterien. Allerdings war es schwierig, sie in großem Maßstab zu produzieren, sodass sie viele Lade‑Entlade‑Zyklen ohne Kapazitätsverlust überstehen.

Daher testeten die Forscher die Batterien, um zu prüfen, ob die von ihnen geschaffene Elektroden‑Schnittstelle so robust ist, wie sie es erwarteten.

Nach 200 Zyklen untersuchten sie sie unter dem Mikroskop und fanden keinerlei Anzeichen von Degradation, wie Risse, Delamination usw.

Quelle: Cell

Insgesamt zeigt der Batteriereprototyp eine hervorragende Beständigkeit, insbesondere gegen die Bildung von Dendriten.

Li‑Li‑symmetrische Zellen, die auf dem keramischen CSE basieren, können bei 0,1 und 0,5 mA cm⁻² stabil für 1.000 h zyklisch betrieben werden, was auf eine ausgezeichnete elektrochemische Stabilität gegenüber Li‑Metall und sogar Li⁺‑Abscheidung (Dendritenunterdrückung) hinweist.

Besseres Sicherheitsprofil

Die drastisch reduzierte Dendritenbildung sowie das Fehlen entflammbarer Elektrolyte sollten die Sicherheit von Lithium‑Batterien deutlich erhöhen.

Da die Dicke des keramischen CSE nur 125 μm beträgt, macht dies die Technologie zudem sehr wettbewerbsfähig für die Herstellung hochenergiereicher Festkörperbatterien.

Es sollte auch erwähnt werden, dass die zur Herstellung des verbesserten LLZO verwendete Technik, obwohl nicht einfach, keine seltenen Metalle, seltene Maschinen oder komplexe Schritte erfordert, die im Batteriefertigungsprozess unüblich sind.

Quelle: Cell

Insgesamt sollte dies ein wichtiger Schritt sein, um die Eigenschaften von Festkörperbatterien in allen wesentlichen Aspekten zu verbessern: Stabilität, Sicherheit, Energiedichte und Fertigungsleichtigkeit.

Gewinnen Festkörperbatterien?

Das bedeutet nicht, dass Festkörperbatterien in den kommenden Jahren mit Sicherheit zum neuen Standard für EV‑Batterien werden.

Lithium‑Ion‑Batterien könnten ebenfalls konkurrenzfähig sein. Dies hängt hauptsächlich mit Verbesserungen im Design zusammen, wobei ähnliche Nanoporen helfen, die Dendritenbildung zu reduzieren.

Besonders hervorzuheben sind die von dem globalen Batteriefertiger CATL entwickelten Wabenbatterien, die ein Sicherheitsprofil und eine Energiedichte erreichen könnten, die mit einigen Festkörperbatterien vergleichbar sind.

Insgesamt scheint ein tieferes Verständnis der Batteriematerialien, insbesondere auf Mikro‑ und Nanoskala, sowie die Nutzung von Nanoporen der Weg nach vorn zu sein, um die Batterieleistung weiter zu verbessern und das Risiko der Dendritenbildung endgültig zu beseitigen.

Investieren in Batterietechnologie

Lithium‑Batterien haben die Welt bereits mehrfach verändert, indem sie es Menschen ermöglichten, fortschrittliche Elektronik überall mitzunehmen und Autos ausschließlich mit Strom zu betreiben.

Sie könnten dies erneut tun, oder andere Batterietypen, indem sie ein zu 100 % erneuerbares Stromnetz ermöglichen oder die Elektrifizierung von Flugzeugen ermöglichen, sobald eine ausreichend hohe Energiedichte erreicht ist.

Sie können in batteriebezogene Unternehmen über zahlreiche Broker investieren, und hier auf securities.io finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich und vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Batterieunternehmen auszuwählen, können Sie auch Biotech‑ETFs wie den Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), den Lithium & Battery Tech ETF (LIT) von Global X oder den WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF in Betracht ziehen, die eine diversifiziertere Beteiligung ermöglichen, um vom wachsenden Batteriemarkt zu profitieren.

Festkörperunternehmen

Lange erwartete eines der ersten Unternehmen, das Festkörperbatterien auf den Markt bringt, ist QuantumScape an der Spitze der Entwicklung dieser Technologie.

QuantumScape‑Batterien verwenden Lithium‑Metall, anodenfreie Batterien.

Anodenfreie Batterien speichern die Ionen stattdessen in einer elektrochemischen Ablagerung von Alkalimetall direkt auf dem Stromabnehmer. Das ermöglicht höhere Zellenspannung, geringere Zellkosten und höhere Energiedichte.

Quelle: QuantumScape

(Wir haben das Konzept anodenfreier Batterien auch im Kontext von Natriumbatterien im Artikel „Anodenfreie Natrium‑Festkörperbatterien könnten die Abhängigkeit vom ‚Lithium‑Dreieck‘ reduzieren“ diskutiert.)

QuantumScape hat jedoch das erwartete Datum der Massenproduktion seiner Batterien regelmäßig verschoben, was die anfängliche Begeisterung der Investoren für das Unternehmen dämpfte.

Dies könnte sich mit einigen wichtigen Entwicklungen in den Jahren 2023 & 2024:

• Verbesserung der Konsistenz und Qualität der Produktion.
• Verbesserung des Verpackungsdesigns, einschließlich engerer Innenabstände, dünnerer Stromabnehmer und eines schlankeren Rahmens.
• Versand von Hoch‑Kathoden‑Belastungs‑Einheitszellen an Automobil‑OEM‑Partner (Original Equipment Manufacturer).
• Ankündigung des Starts von QSE‑5, dem ersten kommerziellen Produkt des Unternehmens, mit einem potenziellen Kunden im Automobilsektor.

Insgesamt scheint QuantumScape bei weitem das Festkörperunternehmen mit der ausgereiftesten Technologie zu sein, insbesondere was die Haltbarkeit der Batterie betrifft.

Quelle: QuantumScape

Deal With Volkswagen

Noch wichtiger ist, dass das Unternehmen echte Fortschritte bei der Etablierung einer Partnerschaft mit Volkswagen, dem zweitgrößten Automobilhersteller der Welt, zeigt.

Im Juli 2024 unterzeichnete QuantumScape mit Volkswagen eine Vereinbarung zur Zusammenarbeit bei der Herstellung von Batteriezellen basierend auf dem QSE‑5‑Design.

Die Lizenz würde PowerCo ermöglichen, jährlich bis zu 40 GWh Automobilbatterien zu produzieren und zu verkaufen, erweiterbar um weitere 40 GWh.

Dies ist eine nicht-exklusive, lizenzgebührenpflichtige IP‑Lizenz, die QuantumScape erlaubt, weiterhin an andere potenzielle Kunden zu verkaufen.

Vielleicht noch wichtiger, um die Bedenken der Investoren gegenüber dem Unternehmen zu lindern, wird sie zudem eine anfängliche Lizenzgebühr von 130 Mio. $ gewähren, die mit zukünftigen Lizenzgebühren verrechnet wird und von PowerCo, der Batteriesparte von Volkswagen, gezahlt wird.

Damit erhält das Unternehmen im Vergleich zur vorherigen Prognose zusätzliche 18 Monate Liquidität, sodass es nun bis weit ins Jahr 2028 reicht.

Das sollte mehr als ausreichend Zeit sein, um die Produktion hochzufahren und solide Umsätze zu erzielen.

Solange die QuantumScape‑Batterien angemessen funktionieren, sollten sie ihre Nische auf dem Markt neben von größeren Unternehmen wie CATL, BYD und Panasonic hergestellten Batterien finden können.

Angesichts dessen, dass Volkswagen wahrscheinlich seine eigenen QuantumScape‑Prototypen umfassend getestet und den Produktionsramp‑Up untersucht hat, scheint die jüngste Vereinbarung ein solides Bekenntnis zur Technologie des Unternehmens zu sein.

Quelle: QuantumScape

Außerdem deutet die parallele Frist von Toyota für die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien im Jahr 2027 darauf hin, dass die Technologie nach vielen Fehlstarts nun einen Reifegrad erreicht hat, der ausreicht.