Nachhaltigkeit

Wie die Festkörper‑Batterietechnologie von Princeton die Energiespeicherung revolutionieren könnte

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Die ultimative Batterie

Da Batterien zur Grundlage von Elektrofahrzeug‑Antriebssträngen geworden sind, haben sich ihre Leistung und ihr Sicherheitsprofil verbessert. Bisher wurde dies mit Varianten von Lithiumbatterien erreicht, entweder Lithium‑Ion (Lithium‑Nickel‑Mangan‑NMC & Lithium‑Nickel‑Kobalt‑Aluminium‑NCA) oder Lithium‑Eisen‑Phosphat‑Batterien (LFP). Es war eine transformative Technologie, die zu Recht ihren Erfindern den Nobelpreis für Chemie 2019 einbrachte (folgen Sie dem Link für die Geschichte der Erfindung von Lithium‑Ion).

Bis jetzt wurde erwartet, dass diese Batterien den Batteriemarkt weiterhin dominieren, dank ihrer extrem hohen Energiedichte.

Quelle: S&P Global

Es gibt jedoch eine Grenze, wie viel Energie klassische Lithium‑Ion‑Batterien speichern können. Deshalb suchen Forscher nach anderen Optionen, von denen eine der vielversprechendsten Festkörperbatterien ist.

Festkörperbatterien sollen sicherer, energiedichter und langlebiger sein als herkömmliche Lithium‑Ion‑Batterien. Allerdings ist ihre zuverlässige Massenproduktion kosteneffizient sehr schwierig, was ihre Verbreitung verlangsamt hat.

Das könnte sich ändern, und neue Erkenntnisse darüber, warum Festkörperbatterien versagen, kommen von Forschern der Princeton University, Purdue University, University of Michigan und Brookhaven National Laboratory.

Sie veröffentlichten ihre neuesten Entdeckungen in zwei wissenschaftlichen Artikeln in Advanced Energy Materials1 und ACS Energy Letters2, jeweils unter den Titeln “Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir-Free Solid-State Batteries” & “Filament‑Induced Failure in Lithium‑Reservoir‑Free Solid‑State Batteries”.

Sie analysierten zudem den aktuellen Stand der Batteriewissenschaft bezüglich anodenfreier Batterien und veröffentlichten ihn in Nature Materials3, unter dem Titel “Electro‑chemo‑mechanics of anode‑free solid‑state batteries”.

Anodenfreie Festkörperbatterie

Die Idee von Festkörperbatterien besteht darin, den flüssigen Elektrolyten in Lithium‑Ion‑Batterien durch eine Schicht aus festem Metall zu ersetzen. Das ist die Hauptquelle für Effizienzgewinne, da Elektrolyte schwer und voluminös sind.

Dies verbessert auch das Sicherheitsprofil, da Elektrolytlösungen normalerweise entflammbar sind und seltene, aber spektakuläre Batteriebrennungen verursachen, die frühen Elektrofahrzeugen einen schlechten Ruf eingebracht haben.

Ein weiterer Schritt wurde kürzlich von Forschern untersucht, bei dem die Hälfte der Batterie vollständig entfernt wird. Batterien bestehen aus einer Kathode und einer Anode, jeweils mit unterschiedlicher elektrischer Ladung.

Anodenfreie Batterien verzichten vollständig auf die Notwendigkeit einer Anode,

„Stattdessen fließen Ionen von der positiven Kathode direkt zum Stromsammler am gegenüberliegenden Ende der Batterie. Die Ionen lagern sich dann auf dem Stromsammler selbst ab und bilden beim Laden eine dünne Metallschicht.“

In ihrer heutigen Analyse der anodenfreien Technologie argumentieren die Princeton‑Forscher, dass das Hauptproblem für das weitere Vorankommen der Technologie ein mangelndes Verständnis der mechanischen Auswirkungen des Lade‑Entlade‑Zyklus ist, mehr als chemische Reaktionen.

Die Mechanismen, die das Lade‑Entlade‑Zyklusverhalten anodenfreier Batterien steuern, werden weitgehend von elektro‑chemo‑mechanischen Phänomenen an Fest‑Fest‑Grenzflächen kontrolliert, und es gibt wichtige mechanistische Unterschiede im Vergleich zu herkömmlichen Lithium‑Überschuss‑Batterien.

Festkörper‑Herausforderungen

In einer klassischen Batterie ist die Verbindung zu den Elektroden (Anode & Kathode) relativ einfach, da der Elektrolyt flüssig ist. In einer Festkörperbatterie muss das feste Metall perfekt mit dem Stromsammler in Kontakt bleiben.

Ist dies nicht vollkommen gleichmäßig, werden Bereiche mit gutem Kontakt zu Hotspots, während Bereiche mit schlechtem Kontakt Hohlräume bilden.

Um zu verstehen, warum dies geschieht, müssen Forscher ein perfektes Verständnis des komplexen Prozesses haben, der während des Ladens und Entladens der Batterie abläuft. Dies ist nicht nur ein chemisches Phänomen, sondern auch ein mechanisches, bei dem das Material im Laufe der Zeit leicht seine Form ändert.

In dem ersten Papier entdeckten sie, dass Druck eine wichtige Rolle dabei spielt, wie das feste Metall reagiert.

Probleme bei niedrigem Druck

Die Rasterelektronenmikroskopie zeigt, dass Lithium bei steigendem Druck immer mehr Oberflächenkontakt hat. Das bedeutet, dass zu niedriger Druck nicht ausreicht, um den ungleichmäßigen Kontakt, der durch diese Oberflächenunregelmäßigkeiten entsteht, zu verbessern.

Letztendlich führte das ungleichmäßige Aufbringen zu der Bildung scharfer Metallfilamente, die wie winzige Nadeln den festen Elektrolyten durchdringen und einen Kurzschluss der Batterie verursachen konnten.

Probleme bei hohem Druck

Obwohl hoher Druck ein gleichmäßiges Aufbringen und Abtragen ermöglichen kann, ist es keine magische Lösung.

Die Forscher stellten fest, dass er den Elektrolyten und den Stromsammler so stark zusammenpresste, dass jegliche Unvollkommenheiten auf beiden Seiten verstärkt wurden, bis der mechanische Stress Risse verursachte.

Mit Hilfe von Röntgentomographie gelang es den Forschern, diese unter hohem Druck entstehenden Risse zu kartieren.

Wenn der Stapeldruck von 2 auf 10 MPa erhöht wird, wächst das gesamte Volumen der Risse. Viele Risse erstrecken sich bis zur Gegen­elektrode (Abbildungen 3b–e und S10), und ein einzelner Lithium‑Dendrit, der die Gegen­elektrode erreicht, kann einen Kurzschluss verursachen.

Insgesamt wird das Finden des optimalen Gleichgewichts zwischen ausreichend niedrigem Druck und effizientem Kontakt das Endziel der Batterieindustrie sein.

„Das Heilige Gral in diesem Bereich wird darin bestehen, herauszufinden, wie man bei niedrigem Druck einen festen Kontakt aufrechterhalten kann, da die Herstellung eines fehlerfreien Elektrolyten praktisch unmöglich ist. Wenn wir das Potenzial dieser Batterien realisieren wollen, müssen wir das Kontaktproblem lösen.“
Prof. Kelsey Hatzell – Associate professor of mechanical and aerospace engineering

Besseres Aufbringen

Ein gleichmäßigeres Aufbringen zu erreichen, ist das Thema des zweiten Papiers, das von Pr. Hatzells Team und deren Kooperationspartnern an anderen Universitäten und Laboren veröffentlicht wurde.

Sie stellten fest, dass eine dünne Beschichtungsschicht zwischen dem Stromsammler und dem Elektrolyten den Ionentransport verbessert. Sie testeten mehrere Designs für diese Beschichtung.

Letztendlich fanden sie, dass die beste Option Zwischenschichten aus Kohlenstoff‑ und Silber‑Nanopartikeln waren. Das Silber in diesen Zwischenschichten bildete während des Lade‑ und Entladevorgangs Legierungen mit Ionen, was ein gleichmäßiges Aufbringen und Abtragen vom Stromsammler ermöglichte.

Allerdings spielen die Details der Herstellung der Silberpartikel eine große Rolle. Bei Verwendung größerer Nanopartikel von 200 nm bildeten sie spindelförmige, ungleichmäßige Metallstrukturen auf dem Stromsammler. Dies reduzierte die Kapazität und führte nach mehreren Ladezyklen zum Ausfall der Batterie.

„Nur wenige Gruppen haben die tatsächlichen Prozesse untersucht, die in diesen Zwischenschichten ablaufen. Unter anderem haben wir gezeigt, dass die Stabilität dieser Systeme mit der Morphologie des Metalls zusammenhängt, wenn es vom Stromsammler aufgetragen und abgezogen wird.“
Se Hwan Park – Postdoktorand an der Princeton University

50‑nm‑Silberpartikel erzielten deutlich bessere Ergebnisse, indem sie dichtere und gleichmäßigere Strukturen erzeugten, was zu Batterien mit größerer Stabilität und höherer Leistungsabgabe führte.

„Diese Erkenntnisse können die Strategie zur Herstellung dieser Zwischenschichten informieren. Durch die Reduzierung der Größe der Silberpartikel können wir sicherstellen, dass wir nur die Vorteile des Silbers in der Zwischenschicht nutzen, was wiederum ermöglichen könnte, bei niedrigem Druck guten Kontakt und gleichmäßiges Aufbringen zu erreichen.“
Se Hwan Park – Postdoktorand an der Princeton University

Bessere Festkörperbatterien entwickeln

Lange Zeit hatte das Konzept der Festkörperbatterie Schwierigkeiten, das Labor zu verlassen und in die Serienproduktion zu gelangen.

Das ändert sich jetzt, da Länder wie China, Japan und Südkorea kurzfristige Pläne haben, Festkörperbatterien auf den Markt zu bringen.

Zum Beispiel:

„Die Herausforderung wird sein, in nur wenigen Jahren von der Forschung in die reale Welt zu gelangen. Hoffentlich kann die Arbeit, die wir jetzt bei MUSIC (Mechano‑Chemical Understanding of Solid Ion Conductors) leisten, die Entwicklung und Einführung dieser nächsten Generation von Batterien in einem bedeutend großen Maßstab unterstützen.“
Prof. Kelsey Hatzell – Associate professor of mechanical and aerospace engineering

Investieren in fortschrittliche Batterietechnologien

Batterien stehen im Mittelpunkt des Elektrifizierungstrends, einer mehrtrillionen‑Dollar‑Initiative, die darauf abzielt, fossile Brennstoffe aus unseren Energiequellen zu entfernen.

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, Vereinigtes Königreich sowie vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Batterieunternehmen auszuwählen, können Sie auch Batterie‑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.

Festkörperbatterie‑Unternehmen

QuantumScape

(QS )

Seit seiner Gründung im Jahr 2010 ist das kalifornische Unternehmen QuantumScape ein prominenter Startup im Bereich der Festkörperbatterien, bemerkenswert durch seinen frühen Einstieg in das Feld und seine Unabhängigkeit von größeren Batterieherstellern, die ebenfalls Festkörpertechnologie verfolgen, wie CATL (300750.SZ), Samsung oder LG Energy Solution (373220.KS).

Quelle: QuantumScape

Ein einzigartiges Merkmal der QuantumScape‑Batterien, das damals als revolutionär galt, ist die anodenfreie Bauweise. Sie ermöglicht ein Schnellladen von ca. 15 Minuten (10‑80 % bei 45 °C) und der Separator ist nicht entflammbar und nicht brennbar.

Quelle: QuantumScape

Damit positionieren sich QuantumScape‑Batterien in einer eigenen Liga hinsichtlich Energiedichte und Ladegeschwindigkeit und übertreffen führende Unternehmen wie Tesla (sowohl das eigene Design als auch von CATL hergestellte) bei weitem.

Quelle: QuantumScape

Allerdings wurden diese bemerkenswerten Leistungen regelmäßig durch Schwierigkeiten beim Hochfahren der Produktion behindert. Dies zwang das Unternehmen zudem, seine Geldreserven zu verbrauchen, was zu einer Verwässerung früherer Investoren und einem Rückgang der Aktienkurse führte.

Dies scheint sich zu ändern, seit dem Vertrag von 2024 mit PowerCo, der Batteriedivision der Volkswagen Gruppe, über ein Lizenzabkommen für das Design und die Massenproduktion von QuantumScape‑Batterien durch PowerCo.

Im Rahmen des nicht‑exklusiven Lizenzabkommens kann PowerCo bis zu 40 GWh pro Jahr an Elektrofahrzeugbatterien herstellen, mit der Option, auf 80 GWh pro Jahr zu expandieren.

Die plötzliche Skalierung der QuantumScape‑Produktion scheint mit Cobra, der nächsten Generation von Separator‑Equipment für Festkörperbatterien des Unternehmens, einem Durchbruch in der Keramikherstellung, verbunden zu sein.

Insgesamt sollte Cobra 2025 in die Produktion integriert werden und das erste fertige Elektrofahrzeug mit QuantumScape‑Batterien soll 2026 produziert werden.

Quelle: QuantumScape

Dies könnte ein Wendepunkt für das Unternehmen sein, das 16 Jahre nach seiner Gründung von einem vielversprechenden Startup mit interessantem geistigem Eigentum zu wachsenden Einnahmen aus einer Partnerschaft mit einem der größten Automobilhersteller der Welt übergeht.

In der Zwischenzeit sollten Investoren weiterhin mit einer gewissen Volatilität des Aktienkurses rechnen, jedoch mit einem Licht am Ende des Produktentwicklungstunnels.

Neueste Entwicklungen zu QuantumScape

Studienreferenz:

1. Se Hwan Park, et al. (2025) Filament‑Induced Failure in Lithium‑Reservoir‑Free Solid‑State Batteries. ACS Energy Letters. 22. Februar 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004 

2. Se Hwan Park, et al. (2024). Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir-Free Solid‑State Batteries. Advanced Energy Material. 19 Dezember 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129 

3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Electro‑chemo‑mechanics of anode‑free solid‑state batteries. Nature Materials. 02 Januar 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z

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Jonathan ist ein ehemaliger Biochemiker-Forscher, der in der genetischen Analyse und klinischen Studien tätig war. Er ist jetzt ein Börsenanalyst und Finanzautor mit Fokus auf Innovation, Marktzyklen und Geopolitik in seiner Publikation The Eurasian Century.