Kleine Anpassungen für große Veränderungen – Sind weiche Metalltexturen ein Durchbruch für Batterien?

Batterien sind allgegenwärtig. Unser modernes technologisches Zeitalter kann nicht vorankommen oder gedeihen, ohne effektiv hergestellte, effiziente Batterien. Batterien sind in Elektrofahrzeugen, mobilen Geräten, erneuerbaren Energiespeichern und vielem mehr vorhanden.

Wenn wir uns die Wachstumszahlen ansehen, ist das Potenzial exponentiell. Zwischen 2022 und 2030 wird die globale Nachfrage nach Lithium-Ionen‑Batterien beispielsweise voraussichtlich fast um das Siebenfache steigen und 4,7 Terawattstunden im Jahr 2030 erreichen. Markt‑Experten führen einen bedeutenden Teil dieses Wachstums auf die rasante Beliebtheit von Elektrofahrzeugen zurück, die stark von Lithium‑Ionen‑Batterien abhängen. Im Jahr 2024 machten Elektrofahrzeuge über 80 % der weltweiten Nachfrage nach Lithium‑Ionen‑Batterien aus.

Um dieses außergewöhnliche Wachstum zu unterstützen, muss die Batteriefertigung hoch skaliert werden. Und diese Skalierung kann nur durch Innovationen getragen werden. Die gute Nachricht ist, dass Forscher weltweit daran arbeiten. Sie erforschen kontinuierlich neue Materialien, Designs, Konfigurationen und Chemie.

Es ist jedoch auch entscheidend, kontinuierlich zu prüfen, ob diese Erkundungen die verfügbaren Ressourcen optimieren. Bei solcher Prüfung stellten Forscher fest, dass die Textur der Metalle etwas ist, das historisch übersehen wurde.

Während sie die genaue Natur dieses Übersehens erklärte, sagte die UChicago PME Prof. Shirley Meng, die Liew Family Professorin für Molekulare Ingenieurwissenschaften, Folgendes:

“Es gibt eine Lücke im Verständnis der Kornorientierung, auch als Textur bezeichnet, und wie dieser Faktor die Leistung wiederaufladbarer Metallbatterien beeinflusst.”

Die Lösung stammt aus Mengs Labor für Energiespeicherung und -umwandlung und dessen Industriepartner Thermo Fisher Scientific. Genauer gesagt kommt sie durch ein von Meng und ihren Mitforscher*innen verfasstes Papier. Das Papier trägt den Titel „Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.“

Experimentieren für eine bessere Textur für bessere Batterien

Mit dem Begriff „Textur“ meinen die Forscher die Kornorientierung, die in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist, anstatt zufällig verteilt zu sein. Plasma‑fokussierte Ionenstrahl‑Elektronen‑Rückstreubeugung (PFIB‑EBSD) hilft, die Metalltextur unter verschiedenen elektrochemischen Plattierungs‑ und Abziehbedingungen zu charakterisieren.

In der Studie¹ hoben die Forscher den Wettbewerb zwischen Oberflächenenergie und Deformationsenergie für die Texturbildung von Alkalimetallen hervor. Insbesondere versuchten sie zu verstehen, wie die Dominanz der atomaren Diffusion und der Oberflächenenergie von Alkalimetallen gegenüber dem Kornselektionswachstum während elektrochemischer Prozesse als Schlüssel zur Erklärung der kinetischen Beschränkungen von Festkörperbatterien mit Metallanoden, insbesondere bei Raumtemperatur, wirkt. Das ultimative Ziel dieser Forschung und der daraus gewonnenen Erkenntnisse war es, wünschenswerte Texturen durch Schnittstellentechnik zu erreichen, um die Plattierungs‑/Abzieh‑Effizienz bei hohen Stromdichten zu verbessern.

Die Forscher führten eine Reihe von Schritten durch, um zu verstehen, welche Textur für Metallbatterien ideal sein könnte. Sie charakterisierten die Textur weicher Metalle unter verschiedenen Bedingungen, entwickelten eine thermodynamische Theorie und ein Phasenfeld‑Modell für die Texturbildung, identifizierten wünschenswerte Texturen zur Verbesserung der Plattierungs‑/Abzieh‑Effizienz und – schließlich – entwarfen eine Grenzschicht für ein wünschenswertes Kornwachstum.

Was hat die Forschung erreicht?

In den Worten der UChicago PME Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, dem Erstautor der neuen Arbeit, entdeckten die Forscher, dass das Hinzufügen einer dünnen Siliziumschicht zwischen Lithium‑Metall und dem Stromsammler die gewünschte Textur erzeugt.

Die Forscher schlossen daraus, dass die „Änderung die Leistungsfähigkeit der Batterie in All‑Solid‑State‑Batterien mit Lithium‑Metall um fast das Zehnfache verbesserte.“

Aber was brachte die Forscher dazu, das Richtige und Optimale zu finden?

Die Forscher begannen mit der Annahme, dass die ideale Textur für eine Batterie‑Anode eine wäre, bei der Atome schnell entlang der Oberflächenebene bewegen können, da schnellere Bewegungen das Laden und Entladen der Batterien beschleunigen. Um die Textur zu verändern, war entscheidend, wie sich die Oberflächenenergie des weichen Metalls unterscheidet.

Laut Professor Minghao Zheng:

“Da Batterien mit Lithium‑ oder Natriummetall auf diese Texturen für eine bevorzugte Leistungsfähigkeit angewiesen sind, fragte sich das Team, ob das Anpassen der Textur weicher Metalle die Leistungsdichte verbessern könnte.”

Die Erreichung des Ziels hing stark vom effektiven Einsatz mikroskopischer Technologie ab, die das Fräsen innerhalb eines plasma‑fokussierten Ionenstrahl‑Rasterelektronenmikroskops (PFIB‑SEM) mit Elektronen‑Rückstreubeugungs‑Mapping (EBSD) umfasste. Die effiziente Kombination dieser beiden Verfahren kann helfen, die Textur auf neue Weise zu untersuchen.

Während er die Nützlichkeit der für die Forschung eingesetzten Mikroskoptechnologie erläuterte, sagte der Studien‑Mitautor Zhao Liu, Senior Market Development Manager bei Thermo Fisher Scientific, Folgendes:

“Die PFIB‑EBSD‑Kombination ist für diese Studie gut geeignet, da PFIB den interessierenden Bereich innerhalb des Zellstapels effektiv erreichen kann, eine hochwertige Oberfläche mit minimalen Defekten erzeugt, während EBSD detaillierte Texturinformationen über das weiche Metall liefert.”

Abgesehen von ihrem Industriepartner arbeiteten die Forscher auch mit dem Frontier Research Laboratory von LG Energy Solution zusammen, mit dem Ziel, die Technologie zu kommerzialisieren.

Laut dem Senior Researcher von LG Energy Solution, Jeong Beom Lee, würde die Forschung zur Entwicklung von Batterien der nächsten Generation für Elektrofahrzeuge und Energiespeicheranwendungen beitragen.

Was die Forscher künftig vorhaben?

Für die Zukunft haben die Forscher zwei klare Ziele. Erstens wollen sie den bei Tests verwendeten Druck von 5 Megapascal (MPa) auf 1 MPa senken, den aktuellen Industriestandard für kommerziell verfügbare Batterien. Zweitens wollen sie die Auswirkung der Textur auf Natrium untersuchen, das laut den Erkenntnissen von Meng das Potenzial hat, eine kostengünstige, leicht verfügbare Alternative zu Lithium zu werden.

Weitere Forschung zu Li‑Ion‑Batteriematerialien

Obwohl die aktuelle Forschung einen Durchbruch darstellt, sind ähnliche Forschungsbemühungen nicht ungewöhnlich. Eine Übersicht über die Forschung, die an solchen Batterien durchgeführt und in Materials Today veröffentlicht wurde, hob hervor, dass obwohl Li‑Ion‑Batterien klare Vorteile als hochenergetische, langlebige und hocheffiziente Batterien besitzen, die Forschung an neuen Elektrodenmaterialien weitergeht, um die Grenzen von Kosten, Energiedichte, Leistungsdichte, Lebensdauer und Sicherheit zu verschieben.

Während Forscher die vielversprechenden Anoden‑ und Kathodenmaterialoptionen untersuchten, stellten sie fest, dass viele davon unter Problemen wie begrenzter elektrischer Leitfähigkeit, langsamer Li‑Transport, Auflösung oder anderen ungünstigen Wechselwirkungen mit dem Elektrolyt, niedriger thermischer Stabilität, hoher Volumenexpansion und mechanischer Sprödigkeit litten. Die verfügbaren Lösungen für diese Probleme umfassten Interkations‑Kathoden, die auf den Markt gebracht wurden. Allerdings war das Tempo, mit dem die Technologie von Umwandlungsmaterialien die Kommerzialisierung erreichte, langsam.

Wenn wir über Kommerzialisierung und Skalierung sprechen, sollten wir nun zu Unternehmen übergehen, die durch solche hochmodernen technologischen Forschungen viel erreichen können.

1. Samsung

Im August 2024 schloss Südkoreas Samsung SDI eine Vereinbarung mit General Motors ab, um gemeinsam eine Fabrik für Elektrofahrzeug‑Batterien im US‑Bundesstaat Indiana zu bauen. Durch diese Vereinbarung beschlossen die beiden Unternehmen, gemeinsam ein Batteriezellen‑Produktionswerk mit einer Jahreskapazität von 27 Gigawattstunden zu errichten.

Früher, im Jahr 2022 wählte Samsung SDI Co., der weltweit sechstgrößte Batteriezulieferer, zusammen mit dem in den Niederlanden ansässigen multinationalen Automobilhersteller Stellantis N.V. den Bundesstaat Indiana als Standort für ein gemeinsames Elektrofahrzeug‑Batteriewerk in den USA.

Der Hersteller beabsichtigte, 23 Gigawattstunden (GWh) prismatischer Batteriezellen und -module pro Jahr zu produzieren, gemäß dem Plan für die erste Hälfte von 2025 für die Stellantis‑Automobilfabriken in Nordamerika.

Bei der Batteriefertigung bietet Samsung SDI ein breites Spektrum an Lösungen, darunter Elektrofahrzeuge, Energiespeichersysteme, Mikromobilität, Leistungsgeräte und IT‑Geräte.

Für EVs und PHEVs stellt das Unternehmen Hochkapazitäts‑, energiedichte und schnell ladende Batterien her und ist führend in der Massenproduktion von Festkörperbatterien. Für Energiespeicherlösungen bietet Samsung SDI Batterien von Haushaltslösungen über Versorgungs‑, Gewerbe‑ und Industrielösungen, die mit erneuerbaren Energiequellen integriert sind, bis hin zu unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV).

Im Bereich Mikromobilität fertigt Samsung SDI Batterien für kleine, leichte Letzte-Meile‑Transportmittel, die als E‑Kickboards, E‑Bikes und E‑Scooter angeboten werden. In diesem Segment nutzt das Unternehmen hochentwickelte Materialien und Komponenten­technologien, um die bestmöglichen Batterien zu produzieren.

Für E‑Bikes stellt Samsung SDI Batterien her mit hoher Energiedichte und Sicherheit. Diese Batterien sind schlanker und leichter.

Für elektrische Zweiräder – wie E‑Scooter und E‑Motorräder – entwickelt Samsung SDI zylindrische Batterien. Diese Batterien werden mit hochkapazitiven Materialien, einzigartigen strukturellen Designs und konstanter Qualität gebaut, wodurch sie sicher und für Spitzenleistung, lange Lebensdauer und Sicherheit geeignet sind.

Für Leistungsgeräte verfügt Samsung SDI über Hochleistungs‑ und Hochkapazitätsbatterien. Es bietet zudem optimale OPE‑Batterielösungen mit hoher Energiedichte, stabilem Stromoutput und langer Lebensdauer. Es fertigt Batterien mit differenzierter Kapazität und Leistung. Schließlich produziert Samsung SDI hochfunktionale und langlebige Batterien für IT‑Geräte, einschließlich Smartphones und Wearables.

Ende Januar 2025 gab Samsung die Ergebnisse für das vierte Quartal und das Gesamtjahr 2024 bekannt, mit einem Jahresumsatz von 16,59 Billionen KRW (11,55 Mrd. $) und einem Jahresbetriebsgewinn von 363,3 Milliarden KRW trotz Marktrückgangs. Im vierten Quartal betrug der Umsatz des Unternehmens 3,75 Billionen KRW, ein Rekordhoch im ESS‑Batteriegeschäft.

2. LG Energy Solutions

Im Dezember 2024 führte LG Energy Solutions Gespräche mit Indiens JSW Energy, um Batterien für Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energiespeicherung in einem Joint Venture zu produzieren, das eine Investition von über 1,5 Mrd. $ erfordern würde. Laut öffentlich zugänglichen Berichten unterzeichneten die beiden Unternehmen eine Vorvereinbarung, um eine gleichberechtigte Partnerschaft zu bilden, bei der LGES die Technologie und Ausrüstung für die Batteriefertigung bereitstellt und JSW Geld investiert, sagte eine Quelle.

Insgesamt ist das Unternehmen bekannt für Energy Storage Solution (ESS) Batterien und fortschrittliche Automobilbatterien. Die ESS‑Division bietet hochenergetische und leistungsstarke Produkte für Stromnetze und diverse Haushaltsprodukte. Diese Batterien werden hergestellt mit erstklassiger Batteriezelltechnologie, die durch Anwendung fortschrittlichen Prozesswissens von Laminierung und Stapelung, einer proprietären Technologie von LG, entsteht.

Diese Batterien bieten eine einheitliche Energieabgabe, lange Lebensdauer und stabile Struktur. Die LG ESS‑Batterien besitzen zudem eine verbesserte Raumeffizienz durch kompakte Größe. Durch den Einsatz von hochkapazitiven, ultra‑schlanken Polymerbatteriezellen bei der Entwicklung von Netz‑ und Wohn‑ESS produziert das Unternehmen schlanke Produkte, die die Raumausnutzung maximieren und nur minimale Installationsfläche benötigen.

LG Energy Solutions ist zudem der führende Anbieter von Zellen, Modulen, BMS (Battery Management System) und Pack‑Produkten für Elektrofahrzeugbatterien. Die Lösungen umfassen hochenergetische Batterien, die leicht und schnell ladbar sind.

Die verschiedenen Abmessungen dieser Batterien gewährleisten eine Raumausnutzung, indem sie das Problem des begrenzten Raums in Nutzfahrzeugen lösen. Die Pouch‑Typ‑Batteriezellen können in verschiedenen Längen und Breiten hergestellt werden und tragen zur Erhöhung der Batteriekapazität und Optimierung bei.

In der letzten Januarwoche 2025 gab LG Energy Solution seine Ergebnisse für das vierte Quartal und das Gesamtjahr bekannt. Für das Gesamtjahr meldete das Unternehmen einen konsolidierten Umsatz von 25,6 Billionen KRW und einen Betriebsgewinn von 575,4 Milliarden KRW, was einem Jahresrückgang von 24,1 % bzw. 73,4 % entspricht. Die operative Gewinnmarge betrug 2,2 % inklusive des IRA‑Steuergutschrift‑Effekts.

Die Zukunft der Batterien

Die Zukunft der Batterietechnologie und des Batteriemanagements wird Verbesserungen in mehreren Bereichen anstreben. Sie wird nach verbesserter spezifischer Energie und Energiedichte (mehr Energie pro Volumen/Gewicht), längerer Lebensdauer, geringerer Entflammbarkeit, kürzerer Ladezeit und reduzierten levelisierten Energiekosten (LOCE) suchen.

Forscher haben die technologische Entwicklung von Li‑Ion‑Batterien für den Zeitraum 2019‑2030 untersucht. Sie nannten vier wahrscheinliche Technologie‑Setups: konventionelle Li‑Ion, Gr‑Si‑Anode oder Hi‑Ni‑Kathode, Festkörperbatterien und Lithium‑Schwefel/Luft. Die Zahlen deuten darauf hin, dass die neuen Batterietechnologien in den nächsten zehn Jahren die konventionellen Li‑Ion‑Batterien überholen werden.

Das Aufkommen neuer Batterietechnologien würde die Wahl von Kathoden‑ und Anodenmaterialien neu bewerten. Beispielsweise hat eine Batterie mit einer LFP‑Kathode eine geringere Energiedichte als eine mit NMC. Die Auswahl des Kathodenmaterials ist wichtig, da sie die spezifische Energie auf Zellenebene erheblich beeinflusst.

Die Wahl des Anodenmaterials ist ebenfalls entscheidend. Das Anodenmaterial, typischerweise Graphit, bietet Platz für Lithium‑Ionen, wenn die Batterie geladen ist. Die Menge der gespeicherten Lithium‑Ionen steht in direktem Zusammenhang mit der gespeicherten elektrischen Energie.

Forscher sehen einen allmählichen Übergang in der Kathodentechnologie, von einem typischen Ni‑Anteil von 50 % hin zu 80 % bzw. 90 % für NMC‑ und NCA‑Batterien. Um den Kapazitätsanforderungen von hi‑Ni‑Kathoden gerecht zu werden, wird das Hinzufügen kleiner Mengen von Siliziumoxiden oder reinem Silizium in Graphit‑Anoden laut Berichten bei Zellherstellern immer beliebter.

Die fünf neuen Batterietechnologien, die voraussichtlich die Zukunft neu definieren werden, umfassen NanoBolt Lithium‑Wolfram‑Batterien, Zink‑Mangan‑Oxid‑Batterien, Organosilicium‑Elektrolyt‑Batterien, Gold‑Nanodraht‑Gel‑Elektrolyt‑Batterien und TankTwo String Cell™‑Batterien.

Die NanoBolt Lithium‑Wolfram‑Batterien beispielsweise laden schneller und speichern mehr Energie. Die Zink‑Mangan‑Oxid‑Batterien können effektiv als Alternative zu Lithium‑Ion‑ und Blei‑Säure‑Batterien dienen, insbesondere für großskalige Energiespeicherung zur Unterstützung nationaler Stromnetze.

Die Chemieprofessoren der University of Wisconsin‑Madison, Robert Hamers und Robert West, haben organosilicium (OS)‑basierte flüssige Lösungsmittel entwickelt, die auf molekularer Ebene für industrielle, militärische und Verbraucher‑Li‑Ion‑Batteriemärkte gestaltet werden können.

Während sie mit Gelen experimentierten, die nicht so entflammbar sind wie Flüssigkeiten, versuchten Forscher der University of California, Irvine, Gold‑Nanodrähte mit Mangan‑dioxid zu beschichten und anschließend mit einem Elektrolyt‑Gel zu überziehen.

Obwohl Nanodrähte normalerweise zu empfindlich für den Einsatz in Batterien sind, haben sich diese Lösungen als robust erwiesen, und die daraus resultierende Elektrode, wie Forscher entdeckten, überstand 200.000 Zyklen, ohne ihre Ladungsfähigkeit zu verlieren. Das im Vergleich zu 6.000 Zyklen in einer konventionellen Batterie.

Die String Cell™‑Batterie enthielt eine Sammlung kleiner unabhängiger, selbstorganisierender Zellen. Jede String‑Zelle bestand aus einem Kunststoffgehäuse, das mit einem leitfähigen Material überzogen war und es ermöglichte, schnell und einfach Kontakt zu anderen Zellen herzustellen. Eine interne Verarbeitungseinheit steuerte die Verbindungen in der elektrochemischen Zelle.

Um das schnelle Aufladen eines EV zu ermöglichen, wurden die kleinen Kugeln in der Batterie abgesaugt und an der Service‑Station gegen aufgeladene Zellen ausgetauscht. An der Station könnten die Zellen zu Nebenzeiten aufgeladen werden.

Mit all diesen Lösungen zu unserer Verfügung erwarten uns in Zukunft mehrere Batteriedurchbrüche.