Mizzous 4D‑STEM‑Durchbruch: Verbesserung der Effizienz von Festkörperbatterien

Festkörperbatterien stehen derzeit im Fokus. Sie gewinnen stetig an Bedeutung bei Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeugen und machten 2022 den größten Anteil am globalen Markt für Festkörperbatterien aus.

Forscher schätzen, dass die Anwendung von Festkörperbatterien im EV‑Sektor im nächsten Jahrzehnt exponentiell wachsen wird und bis 2032 ein Marktvolumen von US$4,3 Milliarden bis 2032 erreichen wird. Es gibt Gründe, warum Festkörperbatterien für ein exponentielles Wachstum bereitstehen. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Batterietechnologie, die einen festen Elektrolyten anstelle von flüssigen Elektrolyten verwendet, wie sie in der Lithium‑Ion‑Technologie zum Einsatz kommen. 

Festkörperzellen bestehen aus einer Kathode, einem Separator und einer Anode. Die Kathode könnte mit denselben Verbindungen wie eine Lithium‑Ion‑Batterie hergestellt werden. Im Gegensatz dazu wird der Separator in der Regel aus Keramik oder festem Polymer gefertigt, das ebenfalls als Elektrolyt fungiert. Die Anode besteht aus Lithium‑Metall.

Beim Laden bewegen sich die Lithium‑Teilchen innerhalb dieser Batterien von der Kathode durch die atomare Struktur des Separators und den elektrischen Kontakt der Anode und bilden eine feste Schicht aus reinem Lithium. Der Prozess stellt sicher, dass die Anode ausschließlich aus Lithium‑Teilchen besteht und ein kleineres Volumen hat als eine Anode der Lithium‑Ion‑Technologie mit Graphitstruktur.

Obwohl diese Batterien noch in ihrer Entwicklungsphase sind, versprechen sie mehrere Verbesserungen gegenüber den aktuellen Batterien, darunter höhere Energiedichte, längere Lebensdauer, verbesserte Sicherheit und kleinere Größe. Der vielversprechende Ausblick, den Festkörperbatterien bieten, hat das Feld für Wissenschaftler attraktiv gemacht, weiter zu forschen und zu sehen, was damit möglich ist.

Eine aktuelle Pressemitteilung der University of Minnesota behauptet, die Forscher hätten den Code für Festkörperbatterien geknackt. In den folgenden Abschnitten untersuchen wir die Gründe, die diese kühne Behauptung antreiben.

Was die Forscher der University of Minnesota erreicht haben

Die Forschung, betitelt Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, demonstriert einen einfachen Workflow zur Untersuchung der Bildung von Kathoden‑Elektrolyt‑Interphasen (CEI) mittels 4D‑Scanning‑Transmission‑Electron‑Microscopy (4D‑STEM), der keine SS‑LIB‑Montage erfordert.

An den Kontaktpunkten zwischen dem festen Elektrolyten und dem aktiven Kathodenmaterial in Festkörper‑Lithium‑Ion‑Batterien bilden sich Interphasen‑Schichten, die die Zellimpedanz erhöhen. Die Forscher eliminieren die Notwendigkeit einer SS‑LIB‑Montage und zeigen die Vorteile von MoCl5:EtOH als chemischem Delithiierungs‑Agent sowie von chemisch delithiierter Kathoden‑LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC)‑Pulver in Kontakt mit Li10GeP2S12 (LGPS)‑SE‑Pulver als SS‑LIB‑CEI‑Ersatz.

Die Forscher kartierten die Zusammensetzung und Struktur der CEI‑Schichten mittels 4D‑STEM, energiedispersiver Röntgen‑Spektroskopie (EDS) und Electron Pair Distribution Function Analyse (ePDF). Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Beschichtungen, die den Anionentransport blockieren, während sie Lithium‑Ion‑ und Elektronentransport zulassen, die Interphasenbildung verhindern und die Impedanz in SS‑LIBs reduzieren könnten.

Während er die Natur der Beschichtung beschrieb, sagte Young:

„Die Beschichtungen müssen dünn genug sein, um Reaktionen zu verhindern, aber nicht so dick, dass sie den Lithium‑Ion‑Fluss blockieren. Wir wollen die Hochleistungseigenschaften des festen Elektrolyten und der Kathodenmaterialien erhalten. Unser Ziel ist es, diese Materialien gemeinsam zu nutzen, ohne ihre Leistung für die Kompatibilität zu opfern.“

All dies mag zu technisch klingen, aber es gibt eine einfachere Perspektive, um die Errungenschaft der Forschung zu verstehen.

Klicken Sie hier, um mehr über einen Batteriedurchbruch zu erfahren, der Festkörper‑Varianten einen Schritt näher an die Realität bringt.

Umgang mit dem Problem des flüssigen Elektrolyten

Lithium‑Ion‑Batterien basieren auf flüssigen Elektrolyten, die bei Beschädigung oder Überhitzung Feuer fangen können. Die Forscher der University of Missouri haben dieses Problem angegangen, indem sie effiziente Techniken entwickelten, um Flüssigkeiten oder Gel‑Elektrolyte durch feste Elektrolyte zu ersetzen.

Um zu erläutern, wie ihre Lösung funktioniert, sagte Assistenzprofessor Matthias Young, der sowohl an der Ingenieurfakultät als auch an der Fakultät für Kunst und Wissenschaft der Mizzou tätig ist:

„Wenn der feste Elektrolyt die Kathode berührt, reagiert er und bildet eine Interphasen‑Schicht von etwa 100 Nanometern Dicke – 1.000‑mal dünner als die Breite eines einzelnen menschlichen Haares. Diese Schicht blockiert die Lithium‑Ionen und Elektronen, sodass sie nicht leicht durchdringen können, was den Widerstand erhöht und die Batterieleistung beeinträchtigt.“

Der bedeutendste Durchbruch

Der bedeutendste Erfolg des Forschungsteams war jedoch die Nutzung der vierdimensionalen Raster‑Transmission‑Elektronen‑Mikroskopie (4D‑STEM). Revolutionär war, dass sie die atomare Struktur der Batterie untersuchen konnten, ohne sie zu demontieren, wodurch sie ein grundlegendes Verständnis der chemischen Reaktionen im Inneren erlangten und das Ausmaß des Schadens bestimmen konnten, das die Interphasen‑Schicht verursachte.

Aus Sicht der potenziellen Nutzer dieser Batterien birgt die Forschung und ihre Implikationen großes Potenzial.

Erwartete reale Vorteile

Globale Automobilhersteller sind begeistert von Festkörperbatterien, weil sie höhere Sicherheit und thermische Stabilität bieten. Die gerade besprochene Forschung ist ein Durchbruch in diese Richtung – ein enorm bedeutender Schritt nach vorn. Darüber hinaus könnte die Forschung Verbesserungen in Sicherheit, Leistung, Lebensdauer, Kosten und Umweltbelastung der Batterien bewirken.

Batteriewissenschaftler weltweit sind optimistisch, dass die neue Generation von Festkörperbatterien, die aus Forschung wie dieser hervorgehen wird, schließlich zwei Hauptmängel konventioneller Lithium‑Ion‑Batterien überwinden wird. Die nickel‑reichen Kathoden ermöglichen es der Batterieindustrie, weniger Kobalt im Kathodenmaterial zu verwenden. Zweitens werden Festkörper‑Chemien es den Herstellern ermöglichen, Lithium‑Metall in der Anode zu nutzen.

Der erste Faktor ist entscheidend für das Wachstum dieses Sektors, da Kobalt knapp, teuer und schwer abzubauen ist. Es stammt aus Ländern mit schwachen Bergbaugesetzen. Forscher glauben, dass das Potenzial des Lithium‑Einsatzes in der Anode erheblich ist, weil es die Energiedichte erhöht und die Sicherheit fördert.

Zum Einsatz von Lithium‑Metall sagte Helena Braga, außerordentliche Professorin für Ingenieurphysik an der Universität Porto in Portugal und bekannte Forscherin, die vor einem Jahrzehnt mit dem Nobelpreisträger John Goodenough im Bereich Festkörperbatterien zusammengearbeitet hat, sagte:

„Deshalb haben wir diese (Festkörper‑)Reise von Anfang an gestartet – um Lithium‑Metall nutzen zu können.“

Insgesamt kann diese technologie‑ und forschungsbasierte Technik zu verbesserten Batteriedesigns mit höherer Leistung und Sicherheit führen und innerhalb von 3‑7 Jahren Verbraucher‑Elektronik und Elektrofahrzeuge beeinflussen.

Der eigentliche Wert solcher Forschung hängt jedoch davon ab, wie erfolgreich Unternehmen, die Festkörperbatterien herstellen, sie übernehmen und in großem Maßstab umsetzen. Im folgenden Abschnitt diskutieren wir ein solches Unternehmen, Solid Power, Inc. (SLDP ), das sich auf All‑Solid‑State‑Battery‑Technologie spezialisiert hat und sicherere sowie effizientere Energiespeicherlösungen fokussiert.

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power positioniert sich als Anbieter von All‑Solid‑State‑Battery‑Zelltechnologie, die wesentliche Verbesserungen gegenüber der heutigen konventionellen, flüssigkeitsbasierten Lithium‑Ion‑Technologie und den nächsten Hybridzellen bietet, darunter hohe Energie, verbesserte Sicherheit, längere Lebensdauer und Kosteneinsparungen.

Die Batterien von Solid Power ermöglichen den Einsatz von Hochkapazitäts‑Elektroden wie hochgradigem Silizium und Lithium‑Metall, um eine leistungsstarke Energie zu erzielen. Sie werden sicherer, indem sie die reaktiven und flüchtigen flüssigen und Gel‑Komponenten entfernen. Dadurch können sie extrem hohen Temperaturen standhalten und liefern. Das Unternehmen glaubt, dass seine Batterien einen Kosten­vorteil von 15‑35 % gegenüber bestehenden Lithium‑Ion‑Batterien auf Pack‑Ebene bieten.

In den kommenden Abschnitten besprechen wir die drei Varianten der Festkörperbatterien von Solid Power.

Silicon EV Cell 

Diese Zellen verfügen über eine siliziumreiche Anode, die hohe Ladegeschwindigkeiten und niedrigere Temperaturfähigkeiten liefert. Diese Batterien werden von den proprietären sulfidhaltigen Festelektrolyten des Unternehmens angetrieben. Schließlich ist die NMC‑Kathode branchenstandard und kommerziell ausgereift.

Lithium Metal

Solid Power Lithium‑Metal‑Batterien besitzen Lithium‑Metall und eine hochenergetische Anode. Diese Batteriekategorie wird ebenfalls von den proprietären sulfidhaltigen Festelektrolyten von Solid Power angetrieben und verwendet branchenstandard‑ und kommerziell ausgereifte NMC‑Kathoden.

Conversion Reaction Cell 

Schließlich kommen wir zur Kategorie der Conversion‑Reaction‑Cell‑Batterien, die Lithium‑Metall, eine hochenergetische Anode, sulfidhaltige Festelektrolyte zu ultra‑geringen Kosten und eine hochspezifische Energie‑Conversion‑Kathode kombinieren.

Die Batterietechnologie von Solid Power basiert auf sulfidhaltigen Festelektrolyten, die zu den robustesten Grundlagen zählen. Die Technologie sorgt für die vollständige Entfernung des brennbaren flüssigen Elektrolyten und der Polymer‑Separator‑Schicht in einer herkömmlichen Lithium‑Ion‑Batterie und ersetzt sie durch eine feste Schicht, die trotz ihrer Dünnheit als Barriere wirkt, um zu verhindern, dass Anode und Kathode miteinander in Kontakt kommen, was einen Kurzschluss verursachen würde. Gleichzeitig fungiert sie als leitfähiger Elektrolyt. Der sulfidhaltige Festelektrolyt von Solid Power bietet die beste Kombination aus Leitfähigkeit, Herstellbarkeit und Zell‑Performance.

Die Kern‑Sulfid‑Festelektrolyt‑Technologie von Solid Power verwendet erd­abundante Materialien. Das Unternehmen plant, die Elektrolytproduktion bis 2028 zu skalieren, um jährlich 800.000 elektrifizierte Fahrzeuge mit seinen All‑Solid‑State‑Battery‑Zellen zu versorgen.

SLDP: Neueste Updates

Im Dezember 2024 kündigte Solid Power die Verlängerung seiner Partnerschaft mit Ford bis 2025 an. Die dritte Änderung des gemeinsamen Entwicklungsvertrags spiegelte das anhaltende Engagement zwischen Solid Power und Ford wider, die Grenzen der Batterieleistung für Elektrofahrzeuge weiter zu verschieben.

Berichte nannten die Verlängerung der Partnerschaft als bedeutenden Schritt für Solid Powers Arbeit zur Kommerzialisierung seiner Festkörperbatterietechnologie. Die erweiterte Partnerschaft mit Ford, einem führenden globalen Automobilhersteller, unterstrich das potenzielle Einfluss der Technologie von Solid Power auf die Automobilindustrie.

Im Januar 2025 ging das Unternehmen eine bedeutende Finanzvereinbarung mit dem US‑Energieministerium (DOE) ein. Das Unternehmen gab bekannt, dass es bis zu 50 Millionen US‑$ erhalten hat, um seine Produktionskapazitäten für sulfidhaltiges Festelektrolyt‑Material zu erweitern, das für die nächste Generation von Batterien entscheidend ist.

Die Finanzierung erfolgte im Rahmen einer Unterstützungsvereinbarung mit Wirksamkeitsdatum 1. Januar 2025, die vorsah, dass Solid Power 60 Millionen US‑$ seiner Mittel als Kosten‑Sharing‑Beitrag einbringt. Die Investition diente der Installation von Ausrüstung, die für die kontinuierliche Produktion erforderlich ist, was erwartet wird, die Fertigungskapazität des Unternehmens zu stärken.

Im Rahmen der Vereinbarung war Solid Power verpflichtet, spezifische Berichtspflichten und Compliance‑Verpflichtungen einzuhalten. Die Unterstützung des DOE unterstrich die Bedeutung der Weiterentwicklung von Batterietechnologien für Energiespeicherung und Elektrofahrzeuge, Sektoren, die für den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft entscheidend sind.

Die Partnerschaft des Unternehmens mit dem DOE war ein strategischer Schritt zur Beschleunigung der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien, die im Vergleich zu herkömmlichen Lithium‑Ion‑Batterien höhere Energiedichte, verbesserte Sicherheit und längere Lebensdauer versprechen.

Finanziell lieferte Solid Power im Jahr 2024 20,1 Millionen US‑$ Umsatz, ein Anstieg von 2,7 Millionen US‑$ gegenüber 2023. Die Betriebskosten betrugen 2024 125,5 Millionen US‑$, gegenüber 108,0 Millionen US‑$ im Vorjahr, bedingt durch höhere Forschungs‑ und Entwicklungskosten zur Verbesserung der Elektrolyt‑ und Zell‑Design‑Performance, Elektrolytproduktion, Geräteanschaffungen im Rahmen der SK‑On‑Vereinbarungen und Skalierung der Operationen, einschließlich der Einrichtung koreanischer Niederlassungen. Der Betriebsverlust für 2024 betrug 105,3 Millionen US‑$, während der Nettoverlust 96,5 Millionen US‑$ bzw. 0,54 US‑$ pro Aktie betrug.

„Im Jahr 2025 wird Solid Power die Entwicklung der ASSB‑Technologie weiter vorantreiben, indem wir die Elektrolyt‑Performance anhand des Feedbacks unseres Zellentwicklungsteams verbessern, Partner‑Anforderungen und Kundenwünsche umsetzen, sowohl Elektrolyt‑ als auch Zelltechnologien weiter innovieren und gleichzeitig finanzielle Disziplin wahren, während wir strategisch in Entwicklung und Fähigkeiten investieren.“

– John Van Scoter, Präsident und CEO von Solid Power

Festkörperbatterie: Blick in die Zukunft

Die Zukunft von Festkörperbatterien erscheint spannend und voller Innovationspotenzial. Im Jahr 2024 entwickelten Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) eine neue Lithium‑Metall‑Batterie, die mindestens 6.000 Mal geladen und entladen werden kann – mehr als jede andere Pouch‑Batteriezelle – und die in wenigen Minuten wieder aufgeladen werden kann.

According to Xin Li, Associate Professor of Materials Science at SEAS and senior author of the paper that detailed the research and was published in Nature Materials:

„Lithium‑Metall‑Anoden‑Batterien gelten als das Heiligtum der Batterien, weil sie die zehnfache Kapazität kommerzieller Graphit‑Anoden besitzen und die Reichweite von Elektrofahrzeugen drastisch erhöhen könnten.“

In ihrer Forschung verhinderten Li und sein Team die Dendritbildung, indem sie mikron‑große Silizium‑Partikel in der Anode einsetzten, um die Lithiation‑Reaktion zu verengen und eine homogene Ablagerung einer dicken Lithium‑Metall‑Schicht zu ermöglichen. Wenn Lithium‑Ionen beim Laden von der Kathode zur Anode wanderten, wurde die Lithiation‑Reaktion an der flachen Oberfläche eingeschränkt, und die Ionen blieben an der Oberfläche des Silizium‑Partikels haften, ohne tiefer einzudringen.

„In unserem Design wird das Lithium‑Metall um das Silizium‑Partikel gewickelt, ähnlich einer harten Schokoladenschale um einen Haselnusskern in einer Praline.“

– Li

Die beschichteten Partikel bildeten eine homogene Oberfläche, die eine gleichmäßige Stromdichteverteilung sicherstellte und das Wachstum von Dendriten verhinderte. Da das Platten‑ und Abstreifen schnell auf einer ebenen Oberfläche erfolgen konnte, ließ sich die Batterie in nur etwa 10 Minuten wieder aufladen.

Die Forscher entwickelten eine Briefmarken‑große Pouch‑Zelle, die 10‑ bis 20‑mal größer war als die in den meisten Universitäts‑Labors hergestellte Münzzelle. Die Batterie behielt nach 6.000 Zyklen noch 80 % ihrer Kapazität bei und übertraf damit andere Pouch‑Zellen derselben Klasse. Im Zuge dessen zeigten die Forscher Dutzende weiterer Materialien, die potenziell eine ähnliche Leistung erbringen könnten. Laut Li:

„Frühere Forschungen haben gezeigt, dass andere Materialien, darunter Silber, als geeignete Anoden‑Materialien für Festkörperbatterien dienen könnten.“

Um den Prozess universell zu machen, veröffentlichten die Forscher ein Papier über benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance.² Die Forscher beobachteten, dass die interlabortörliche Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Zyklusergebnisse von All‑Solid‑State‑Battery‑Zellen schlecht verstanden wurden, weil standardisierte Aufbauten und Montageparameter fehlten.

Die Forscher schlugen einen Satz von Parametern für die Berichterstattung von All‑Solid‑State‑Battery‑Zyklergebnissen vor und empfahlen, Daten dreifach zu berichten. Beispielsweise war eine anfängliche Leerlaufspannung von 2,5 V bzw. 2,7 V vs. Li⁺/Li ein guter Prädiktor für erfolgreiches Zyklieren von Zellen, die diese elektroaktiven Materialien verwenden.

Die Standardisierung der Fertigung von Festkörperbatterien ist entscheidend, weil ihre Einsatzmöglichkeiten vielfältig sind. Während EV‑Hersteller zu den am meisten an effizienten Festkörperbatterien interessierten gehören, sogar NASA‑Forscher berichteten Fortschritte bei der Entwicklung eines innovativen Batteriepacks, das leichter, sicherer und leistungsfähiger ist als die heute in Fahrzeugen und großen Elektronikgeräten üblichen Batterien.

NASA‑Forscher experimentierten mit innovativen neuen Materialien, die bisher noch nicht in Batterien verwendet wurden. Das Team erkannte früh, dass die Festkörper‑Architektur es ermöglicht, den Batteriebau und die Verpackung zu verändern, das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Energiespeicherkapazität zu erhöhen. Sie zeigten, dass Festkörperbatterien Objekte mit einer enormen Kapazität von 500 Wh/kg versorgen können – das Doppelte eines Elektroautos.

„Dieses Design eliminiert nicht nur 30‑ bis 40 % des Batteriege­wichts, sondern ermöglicht es uns, die gespeicherte Energie zu verdoppeln oder sogar zu verdreifachen, weit über die Möglichkeiten von Lithium‑Ion‑Batterien hinaus, die als Stand‑der‑Technik gelten.“

– Rocco Viggiano, Hauptuntersuchungsleiter von SABERS

SABERS ist ein Akronym für die von der NASA benannte Aktivität „Solid‑state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety“.

Wie der Name schon sagt, wird die Zukunft von Festkörperbatterien von diesen Aspekten schneller Wiederaufladbarkeit und Sicherheit profitieren. Hersteller werden zunehmend nach Batterien suchen, die schneller aufgeladen werden können, ohne den Prozess unsicher zu machen.

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