Energie
Natrium & Wasserstoff‑Festkörperbatterien fordern Lithium heraus
Jenseits von Lithium‑Ion
Mit der Elektrifizierung aller Formen des Transports, beginnend mit Autos und bald auch Lkw, Schiffen und möglicherweise sogar Flugzeugen, ist die Batteriespeicherung zur Schlüsseltechnologie des Jahrzehnts geworden.
Anfangs wurde sie von der Lithium‑Ion‑Technologie dominiert, dank der Erfahrung in der Fertigung für kleine Elektronikgeräte und den inhärenten elektrischen Eigenschaften von Lithium.
Allerdings weist die Lithium‑Ion‑Technologie einige zentrale Probleme auf, die ihre Verbreitung einschränken könnten:
- Sie ist teurer und seltener als andere Metalle, was ihre Anwendung auf ultra‑hochdichte Batterien oder High‑End‑Produkte potenziell einschränkt.
- Sie neigt zur Bildung von Metall‑Dendriten, die katastrophale Ausfälle und Batteriebrennen verursachen können.
- Sie funktioniert schlecht bei Gefriertemperaturen, wodurch sie für kalte Klimazonen und stationäre Lagerung in kalten Regionen ungeeignet ist.
Aus all diesen Gründen erforschen Wissenschaftler und Batteriefirmen alternative Chemien. Eine davon ist die Verwendung von Natrium, einem der Bestandteile von ultra‑reichlichem & billigem Meersalz.
Natrium‑Ion‑Batterien erreichen bald die Massenproduktionsphase, wobei das Unternehmen CATL (300750.SZ) in diesem Bereich die Führung übernimmt.
„Es geht nicht um Natrium versus Lithium. Wir brauchen beides. Wenn wir über die Energiespeicherlösungen von morgen nachdenken, sollten wir uns vorstellen, dass dieselbe Gigafabrik Produkte auf Basis sowohl von Lithium‑ als auch Natrium‑Chemien herstellen kann,“
Shirley Meng– Professor für Molekulare Ingenieurwissenschaften an der UChicago PME.
Dennoch werden sowohl Lithium‑Ion‑ als auch Natrium‑Ion‑Batterien voraussichtlich ein Zwischenschritt zu einer überlegenen Batterietechnologie sein: Festkörperbatterien.
Zunächst auf Lithium fokussiert, erweitert sich die Festkörpertechnologie nun in neue Richtungen. Beispielsweise haben wir bereits die Möglichkeit einer anodenfreien Festkörperbatterie auf Natriumbasis diskutiert.
Eine neue Studie zeigte, dass eine metastabile Form eines natrium‑festen Elektrolyten verwendet werden kann, um Festkörper‑Natriumbatterien zu erzeugen, die nicht nur energiedichter sind, sondern auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ihre Leistung beibehalten.
Diese Arbeit wurde von Wissenschaftlern der University of California, der University of Chicago und der National Taiwan University of Science and Technology durchgeführt und im Journal Joule1 unter dem Titel „Metastabile Natrium‑Closo‑Hydridoborat für All‑Solid‑State‑Batterien mit dicken Kathoden“ veröffentlicht.
Herausforderungen von Festkörper‑Elektrolyten
In einer „normalen“ Batterie werden Kathode und Anode durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt. Dieser Elektrolyt ist sehr nützlich, aber auch sehr schwer und die Hauptursache für Brände in fehlerhaften Batterien.
Deshalb macht das Ersetzen durch eine Schicht aus festem Material die Batterie nicht nur deutlich dichter, sondern auch sicherer. Allerdings ist es eine Herausforderung, diesen Festelektrolyten stabil zu halten und ein Aufquellen beim Laden oder Entladen (was zu Rissen führt) zu verhindern.
Natrium‑Festelektrolyte haben ein zusätzliches Problem, da sie eine begrenzte ionische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur aufweisen.
Eine Alternative könnte die Verwendung von Material wie Natrium‑Hydridoborat sein, das für seine sehr hohe ionische Leitfähigkeit bekannt ist. Dafür muss jedoch seine metastabile Form in einer großmaßstäblichen Batterie erhalten bleiben.
„Diese metastabile Struktur von Natrium‑Hydridoborat hat eine sehr hohe ionische Leitfähigkeit, mindestens eine Größenordnung höher als in der Literatur berichtet, und drei bis vier Größenordnungen höher als das Ausgangsmaterial selbst.“
Shirley Meng– Professor für Molekulare Ingenieurwissenschaften an der UChicago PME.
Stabilisierung von Natrium‑Festkörper‑Elektrolyten
Bei der Herstellung einer Batterie mit Natrium‑Hydridoborat neigt das Material beim Abkühlen dazu, zu einer stabilen Struktur überzugehen, wobei NaBH4 von Na2B12H12‑Molekülen getrennt wird.
Eine metastabile Form existiert bei hohen Temperaturen, mischt die beiden Kristalle und ermöglicht ein viel schnelleres Sodium‑Bewegen in der Batterie, was zu einer höheren elektrischen Kapazität führt.
Quelle: Joule
Beim schnellen Abkühlen bleibt das Material in einer metastabilen Form, das Kristallgitter behält seine Struktur, anstatt in die stabile Form zurückzufallen. Diese Art des schnellen Abkühlens, auch Abschrecken genannt, ist ein Schlüsselverfahren in der Fertigung, insbesondere in der Metallurgie für Stahl und andere Metalle.
Quelle: Joule
Bekannte Technik für Skalierbarkeit
Es war bereits bekannt, dass zum Stabilisieren einer chemischen Struktur das Abschrecken (schnelles Abkühlen) oft ein nützliches Verfahren ist. Allerdings wurde dies bislang in einem Festkörper‑Elektrolyten nicht demonstriert.
Die Tatsache, dass dies eine allgemein anerkannte Praxis ist, könnte erheblich dabei helfen, diese Technik skalierbar zu machen und von Batteriefirmen zu übernehmen.
„Da diese Technik etabliert ist, können wir künftig besser skalieren.
Wenn Sie etwas Neues vorschlagen oder Prozesse ändern bzw. etablieren müssen, wird die Industrie eher zögern, es zu akzeptieren.
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapur.
Dicke Elektrode & kalte Temperaturen
Die meisten Festkörper‑Designs versuchen, eine ultradünne Kathode zu konstruieren, um die Kontaktfläche zu maximieren und die Menge an „toter“ Materie, die keine Energie speichert, zu begrenzen.
Das Abschrecken löst dieses Problem, indem permanente Poren geschaffen werden, durch die das Natrium‑Ion zirkulieren kann.
„Die Kombination dieser metastabilen Phase mit einer O3‑Typ‑Kathode, die mit einem chlorid‑basierten Festelektrolyten beschichtet ist, kann dicke, hochflächige Kathoden erzeugen, die dieses neue Design über frühere Natriumbatterien hinausheben.“
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapur.
Dies schafft ein interessantes Design‑Potential, da das Verdicken der Elektrode in diesem speziellen Fall die Batterie verbessern sollte, anstatt sie zu verschlechtern.
„Je dicker die Kathode ist, desto höher ist die theoretische Energiedichte der Batterie – die Menge an Energie, die in einem bestimmten Bereich gespeichert wird.“
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapur.
Beim Testen der Kathode stellten die Forscher fest, dass die Leistung bei Raumtemperatur und sogar unter dem Gefrierpunkt erhalten blieb – ein bemerkenswerter Vorteil für den Betrieb in kalten Klimazonen im Vergleich zu herkömmlichen flüssigen Elektrolyt‑Li‑Ion‑Batterien, obwohl eine breitere, systemweite Überlegenheit gegenüber kommerziellen Li‑Ion‑Batterien noch nicht nachgewiesen wurde.
Wasserstoff als Ladungsträger
Wenn wir über Wasserstoff im Zusammenhang mit Transport und grüner Energie sprechen, beziehen wir uns im Allgemeinen auf Dihydrogen (H₂) und dessen Verbrennung oder Oxidation in speziellen Motoren oder Brennstoffzellen.
Wasserstoff könnte jedoch auch künftig als Schlüsselkomponente von Batterien dienen und Lithium oder Natrium ersetzen. In diesem Fall wird stattdessen Hydrid (H‑) verwendet.
Da Wasserstoff das im Universum am häufigsten vorkommende Element ist, könnte dies ihn besonders nützlich für eine Welt machen, die vollständig elektrifiziert ist und mit grüner Energie und Batterien betrieben wird.
Chinesische Forscher der University of Chinese Academy of Sciences, der University of Science and Technology of China (USTC), der Jilin University und des State Key Laboratory of Catalysis der Volksrepublik China haben im angesehenen Fachjournal Nature2 das Konzept einer Festkörper‑Hydrid‑Ionen‑Batterie unter dem Titel „Ein bei Raumtemperatur wiederaufladbarer All‑Solid‑State‑Hydrid‑Ionen‑Batterie“ vorgestellt.
Hydrid‑Ionen
Batterien verwenden einen negativen Ladungsträger, um Elektronen zwischen Anode und Kathode zu transportieren. Theoretisch sind Hydrid‑Ionen (H⁻) energiereicher, polariserbarer und reaktiver als Kationen wie Lithium oder Natrium.
Wasserstoff ist zudem das kleinste Atom, was ihn besonders leicht macht – ein entscheidender Punkt für Batterien im Transportwesen.
Allerdings wurden Hydrid‑Ionen trotz dieser bekannten Vorteile bisher nicht in Batterien eingesetzt, da kein Elektrolyt die Kombination aus schneller Ionenbewegung, thermischer Stabilität und Elektrodenkompatibilität bieten konnte, die solche Systeme erfordern.
Kombination von Leitfähigkeit und Stabilität
Die Forscher synthetisierten ein neuartiges Kern‑Schale‑Komposit‑Hydrid, 3CeH₃@BaH₂, bei dem eine dünne BaH₂‑Schale CeH₃ umschließt. Diese Struktur nutzt die hohe Hydrid‑Ionen‑Leitfähigkeit von CeH₃ und die Stabilität von BaH₂.
Unter Verwendung dieser Schalen‑Komposit als Baustein entwickelten die Forscher einen CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄‑Prototyp für ein All‑Solid‑State‑Hydrid‑Ionen‑System. NaAlH₄, ein klassisches Wasserstoffspeichermaterial, wurde als aktiver Kathodenbestandteil eingesetzt.
Dendriten für immer entfernen?
Neben der hohen Energiekapazität besitzen Hydrid‑Ionen einen weiteren großen Vorteil: Im Gegensatz zu metallischen Kationen können sie sich nicht zu Dendriten zusammenlagern, die Hauptursache für die meisten Batterieversagen nach zu vielen Lade‑Entlade‑Zyklen, Kurzschlüssen und Bränden.
Damit könnte es der Weg zu sicherer, effizienter und nachhaltiger Energiespeicherung sein.
Allerdings ist diese Technologie weitaus weniger ausgereift als Lithium‑ oder sogar Natriumbatterien, und es bedarf Fortschritten in der Haltbarkeit dieses Designs.
Bisher gelang es den Forschern, bei Raumtemperatur eine hohe Energiedichte von 984 mAh/g zu erreichen. Nach nur 20 Zyklen sank die Batteriekapazität jedoch auf 402 mAh/g.
Die Zukunft der Festkörperbatterien
Kurzfristig werden Batterien auf Lithium‑Ion‑Technologie wahrscheinlich die Grundlage für grüne Energie und Elektrofahrzeuge bleiben.
Mittelfristig könnten Festkörperbatterien oder Natrium‑ (und Festkörper‑Natrium‑)Batterien die Vorherrschaft von Lithium‑Ion verdrängen, insbesondere wenn sie bei niedrigerem Preis eine ausreichend hohe Energiedichte bieten.
Das schnelle Laden von Festkörperbatterien könnte zudem ein Argument für zögerliche Fahrer sein, die nicht auf Elektrofahrzeuge umsteigen wollen, sowie für kommerzielle Anwendungen.
Haltbarkeit und Toleranz gegenüber Kälte werden ebenfalls ein Faktor sein, wobei voraussichtlich ein breites Spektrum paralleler Batter chemien im Laufe der 2030er Jahre koexistieren wird, mit spezialisierten Batterien für Elektrofahrzeuge in kalten Klimazonen.
Sie können mehr zu diesen Themen in unseren folgenden Artikeln lesen:
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| Batterietyp | Energiedichte | Zyklenlebensdauer | Kosten | Reifegrad |
|---|---|---|---|---|
| Lithium‑Ion | 250–300 Wh/kg | 1,000+ cycles | Hoch | Kommerziell |
| Sodium‑Ion | 160–200 Wh/kg | 1,000+ cycles | Niedriger | Skalierung (CATL) |
| Solid‑State (Lithium) | 350–500 Wh/kg | >2,000 cycles (Ziel) | Hoch (F&U) | Pilot (2026–27) |
| Hydride Ion | 984 mAh/g (prototype) | 20 Zyklen (aktuell) | Unbekannt | Frühe Forschung |
Solid‑State‑Batterieunternehmen
QuantumScape
(QS )
Seit seiner Gründung im Jahr 2010 ist das kalifornische Unternehmen QuantumScape ein prominenter Start‑up im Bereich der Festkörperbatterien, bemerkenswert durch seinen frühen Einstieg in das Feld und seine Unabhängigkeit von größeren Batteriefirmen, die ebenfalls Festkörpertechnologie verfolgen, wie CATL (300750.SZ), Samsung oder LG Energy Solution (373220.KS).
Quelle: QuantumScape
Ein einzigartiges Merkmal der QuantumScape‑Batterien, das bei ihrer Vorstellung als revolutionär galt, ist das anodenfreie Design.
Es ermöglicht ein ca. 15‑Minuten‑Schnellladen (10‑80 % bei 45 ºC) und der Separator ist nicht brennbar und nicht entflammbar.
Quelle: QuantumScape
Dies stellt QuantumScape‑Batterien auch in eine eigene Liga, wenn es um Energiedichte und Ladegeschwindigkeit geht, und übertrifft damit massiv führende Unternehmen wie Tesla (sowohl deren eigenes Design als auch von CATL hergestellte).
Quelle: QuantumScape
Allerdings wurden diese bemerkenswerten Leistungen regelmäßig durch Schwierigkeiten beim Hochfahren der Produktion behindert. Das zwang das Unternehmen, seine Geldreserven zu verbrennen, was zu einer Verwässerung früherer Investoren und einem Rückgang der Aktienkurse führte.
Dies scheint sich zu ändern seit der Vereinbarung von 2024 mit PowerCo, der Batteriedivision der Volkswagen‑Gruppe, für ein Lizenzabkommen zum Design und zur Massenproduktion von QuantumScape‑Batterien durch PowerCo.
Im Rahmen des nicht‑exklusiven Lizenzabkommens kann PowerCo bis zu 40 GWh pro Jahr an Elektrofahrzeug‑Batterien herstellen, mit der Option, auf 80 GWh pro Jahr zu erweitern.
Der plötzliche Produktionsausbau von QuantumScape ist mit Cobra, der nächsten Generation von Festkörper‑Batterie‑Separator‑Equipment des Unternehmens verknüpft, einem Durchbruch in der Keramikfertigung.
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 Start‑up mit interessanten IP‑Rechten zu wachsenden Einnahmen aus einer Partnerschaft mit einem der größten Automobilhersteller der Welt übergeht.
Die Beziehung zu PowerCo wird 2025 enger, mit Festkörperbatterien, die in einem Ducati‑Motorrad verwendet werden, und da PowerCo in den nächsten zwei Jahren bis zu 131 Millionen $ an neuen Zahlungen bereitstellen wird, sobald das gemeinsame Skalierungs‑Team bestimmte Meilensteine erreicht.
„Dieses erweiterte Abkommen ist ein klares Signal für die wachsende strategische, technische und finanzielle Ausrichtung zwischen den beiden Unternehmen.
Es spiegelt unser gemeinsames Vertrauen in QSE‑5 als bahnbrechende Plattform für die Batteriewirtschaft wider.“
In der Zwischenzeit sollten Investoren weiterhin mit etwas Volatilität beim Aktienkurs rechnen, jedoch mit einem Licht am Ende des Produktentwicklungstunnels.
(Sie können auch andere Batteriefirmen in den USA und im Ausland in unserem Artikel Top‑10‑Batterieaktien zum Investieren)
Studie referenziert
1. Jin An Sam Oh, et al. Metastabile Natrium‑Closo‑Hydridoborat für All‑Solid‑State‑Batterien mit dicken Kathoden. Joule. 102130. 16. September 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. Ein bei Raumtemperatur wiederaufladbarer All‑Solid‑State‑Hydrid‑Ionen‑Batterie. Nature. 17. September 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
