Ultra‑Langlebige Batterien: Warum die nächste Generation Technologie Jahrzehnte hält, nicht nur Jahre

Batterien, die lange halten

As the world electrifies and switches to renewable energy, the need for more energy storage grows. This is in part driven by the switch to EVs, but also due to the intermittent nature of renewable production.

Dies kann teilweise durch andere kohlenstoffarme Energiequellen wie Wasserkraft oder Kernenergie, oder künftig vielleicht Geothermie, kompensiert werden. Dennoch würden Befürworter grüner Energie eindeutig bevorzugen, dass kostengünstige Solar‑ (und Wind‑)energie die Grundlage unserer Energiesysteme bildet.

Dies schafft eine Nachfrage nach Batterien mit grundlegend anderen Eigenschaften als für die Mobilität.

Elektrofahrzeuge benötigen sehr energiedichte Batterien, die leicht genug im Gewicht und klein genug im Volumen sind, um im Fahrzeugrahmen transportiert zu werden. Haltbarkeit ist ein Anliegen, aber solange die Batterie 10‑15 Jahre funktionieren kann, entspricht das wahrscheinlich der Haltbarkeit der übrigen Fahrzeugkomponenten.

Im Gegensatz dazu sind Energiespeicherbatterien viel weniger durch Gewicht oder Volumen eingeschränkt. Allerdings sind sie eindeutig durch die Kosten begrenzt, da sie im Wesentlichen zusätzliche Kosten für die Erzeugung grüner Energie und das Stromnetz darstellen.

Eine Möglichkeit, die Kosten der Energiespeicherung zu senken, besteht darin, billigere Materialien als Lithium für den Batteriebau zu verwenden. Viele Alternativen werden in Betracht gezogen, wie wir bereits in „Die Zukunft der Energiespeicherung – Technologie für großskalige Batterien“: diskutiert haben: Batterien, die Technologien wie Natrium‑Ion, Eisen‑Luft, Zink, Meersalz, Polymere, Natrium‑Schwefel oder sogar geschmolzene Metalle nutzen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt zur Senkung der Lebenszykluskosten eines Batteriesystems besteht darin, dass es mehrere Jahrzehnte hält. Durch die Amortisation der Investition über viele Jahre sinken die Kapitalkosten der Batterie pro Jahr erheblich. Das ist für Versorgungsunternehmen attraktiver, da sie es gewohnt sind, neue Kraftwerke über Zeiträume von 30‑50 Jahren abzuschreiben.

Warum versagen Batterien?

Tod durch Dendriten

Bevor wir eine Batterie bauen, die fast ewig hält, müssen wir untersuchen, warum die meisten Batterien im Laufe der Zeit Ladung verlieren oder aufhören zu funktionieren.

Ein entscheidender Faktor, insbesondere bei Lithium‑Ion‑Batterien, ist das Wachstum von Dendriten. Diese stalaktitenartige Struktur entsteht durch die unsachgemäße Anhäufung von Metall in der Batterie und kann im Laufe der Zeit die Barriere zwischen Kathode und Anode durchbrechen, was zu einem Kurzschluss und einem katastrophalen Brand führen kann.

Quelle: Nobel Prize

Aufgrund dieser Brandgefahr stellen Dendriten ein besonders ernstes Problem für Versorgungsunternehmen dar, da ein Feuer in einer Batteriezelle schnell auf einen gesamten, mehrere Milliarden Dollar teuren Batteriekraftpark in der Nähe übergreifen könnte. Idealerweise sollte eine langlebige Batterietechnologie daher fast kein Risiko für die Bildung dieser Dendriten aufweisen.

Es sollte auch beachtet werden, dass Dendriten zwar vor allem bei Lithium‑Ion‑Batterien diskutiert werden, sie jedoch ein häufiges Problem bei den meisten Batterien mit metallischen Anoden und/oder Kathoden darstellen.

Ladungsverlust

Eine weitere Möglichkeit, wie Batterien versagen können, besteht darin, dass sie langsam ihre Fähigkeit zur Energiespeicherung verlieren. Dies ist in der Regel das Ergebnis, dass ein Teil des in der Elektrode verwendeten Metalls sich langsam in einer Form ansammelt, die nicht mehr in etwas Nützliches zurückverwandelt werden kann.

Quelle: EnergSoft

Weitere Ursachen können kleine Risse sein, die durch mechanische und thermische Belastungen entstehen, Verlust der strukturellen Integrität, Anhäufung unerwünschter Ablagerungen usw.

Quelle: EnergSoft

Je anfälliger eine Batterietechnologie für diese langsame Degradation ist, desto stärker sinkt die Gesamtkapazität, wodurch die Batterie nach und nach unbrauchbar wird. Darüber hinaus halten degradierte Batterien die Ladung schlechter und verschwenden mehr der gespeicherten Energie, was sie noch unrentabler macht.

Die ideale Batterietechnologie wäre also nicht anfällig für die langsame Degradation ihres Grundmaterials oder könnte regelmäßig zu einem Spitzenzustand regeneriert werden, ohne das gesamte System recyceln zu müssen.

Wenn Sie die Details der Batteriedegradation kennenlernen möchten, können Sie sich auch dieses 22‑minütige Video ansehen:

Zyklenlebensdauer

Die Haltbarkeit von Batterien kann schwer zu messen sein. Beispielsweise werden die meisten EV‑Batteriesysteme üblicherweise pro Meile gemessen, also wie viel Strecke die Elektrofahrzeuge zurücklegen können, bevor ein neuer Batteriepacks nötig ist.

Eine weitere Messgröße ist die Anzahl der Lade‑Entlade‑Zyklen, die durchgeführt werden können, bevor die Batterie einen signifikanten Teil ihrer Gesamtkapazität verliert. Für die Energiespeicherung ist ein regulärer Lade‑Entlade‑Zyklus von bis zu 1‑3 pro Tag zu erwarten.

Schließlich ist auch die Frage, wie lange eine Ladung gehalten werden kann, wichtig, da die meisten Batterien täglich einen kleinen Teil ihrer Ladung verlieren. Gleichzeitig kann der Wind wochenlang ausbleiben, und Wintertage sind die Tage mit dem wenigsten Sonnenlicht und dem höchsten Stromverbrauch, insbesondere in kalten Klimazonen. Daher wäre theoretisch eine Batterie, die über Wochen oder sogar Monate hinweg Energie ohne großen Verlust speichern kann, die ideale Option.

Temperaturtoleranz

Die meisten Batterietechnologien sind stark intolerant gegenüber Kälte, insbesondere bei Gefriertemperaturen. Da die großskalige Energiespeicherung wahrscheinlich im Freien in der Nähe eines Kraftwerks erfolgt, kann dies in kalten Klimazonen im Winter ein ernstes Problem darstellen. Wenn ein erheblicher Teil der gespeicherten Energie dafür verwendet wird, die Batterien zu erwärmen, kann dies die Wirtschaftlichkeit des Batteriebetriebs stark beeinträchtigen.

Ultra‑langlebige Batterietechnologien

Wabenbatterien

Selbst wenn letztlich alternative Chemien die Sieger bei der Versorgung eines vollständig erneuerbaren Stromnetzes sein werden, suchen Batteriefirmen ebenfalls nach Möglichkeiten, ihre aktuelle Technologie langlebiger zu machen.

Ein solches Beispiel sind die 300750.SZ Wabenbatterien von CATL. Der Batterieriese CATL, der mehr als die Hälfte der weltweiten Batterien produziert, setzt stark auf diese Technologie. Sie basiert teilweise auf einer Idee, die bereits in einem wissenschaftlichen Papier von 2020 mit dem Titel „Dehnbare Lithium‑Ion‑Batterie basierend auf neuer Mikro‑Wabenstruktur“ vorgeschlagen wurde.

Quelle: Phys.org

Aus einem wissenschaftlichen Papier von 2021 können wir einige der wichtigsten Vorteile von Wabenformen lernen, insbesondere geringe Dichte sowie hohe Querkraft‑ und Scherfestigkeit (Widerstand von Materialien gegen Kräfte, die parallel, aber in entgegengesetzte Richtungen wirken).

Diese Änderung der physischen Batteriekonfiguration hält das Material an der richtigen Stelle und verhindert Risse und Kontraktionen während des Ladevorgangs.

Obwohl nicht klar ist, wie CATL das umgesetzt hat, sind einige dieser Methoden bekannt; zum Beispiel können aufeinanderfolgende thermische und chemische Behandlungen mit Kohlenstoff und Säure eine Nano‑Wabenstruktur erzeugen.

Quelle: Chemistry Europe

Quelle: Chemistry Europe

Insgesamt scheint die Wabenbatteriestruktur Risse und die Bildung von Dendriten zu vermeiden, wodurch eine ultra‑langlebige Batterie entsteht, die dennoch auf dem gut verstandenen Prinzip von Lithium‑Ion‑ und LFP‑ (Lithium‑Eisen‑Phosphat‑) Batterietechnologien beruht.

Sie ist wahrscheinlich das Kernstück von CATLs neuem Produkt, dem TENER containerisierten LFP‑Batteriesystem, das nach vollen 5 Jahren Betrieb keinerlei Kapazitätsdegradation gezeigt hat.

TENER wird nun von CATL an Versorgungsunternehmen kommerzialisiert.

Quelle: Sustainability Environment

Festkörperbatterien

Neben Änderungen der Chemie kann auch die Art und Weise, wie Batterien gebaut werden, geändert werden, um dichtere und langlebigere Batterien zu ermöglichen.

Dies ist die Idee hinter Festkörperbatterien, die den flüssigen Elektrolyten in den meisten Batteriedesigns durch eine feste Metallschicht ersetzen. Theoretisch sollten sie die energiereichsten Batterien bauen, obwohl sie möglicherweise nicht die günstigsten sind.

Bis vor kurzem war diese Idee schwer in großem Maßstab umsetzbar, da sie einen perfekten Kontakt zwischen den Metallschichten erfordert. Mechanische Bewegungen beim Laden‑Entladen führen häufig zur Entstehung von Rissen.

Quelle: Flash Battery

Allerdings zeigen aktuelle Entwicklungen vieler Unternehmen wie QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) oder Hyundai (HYMTF) von Batteriefabriken und die Massenproduktion für 2028‑2030, dass die Technologie nun reif wird.

Theoretisch könnten gut entwickelte Festkörperbatterien nach und nach alle Lithium‑Ion‑, LFP‑ und sogar Natrium‑Ion‑Batterien in Elektrofahrzeugen ersetzen.

Ihr endgültiger Preis ist noch abzuwarten, wenn sie im großen Maßstab produziert werden, um zu bestimmen, ob sie für Anwendungen in der Netzenergiespeicherung preiswert genug sind. Vielleicht können spezielle Konzepte wie anodenfreie Natrium‑Festkörperbatterien diese Aufgabe bewältigen, da sie den Einsatz teuren Lithium‑Metalls vermeiden würden.

(Sie können mehr über Investitionsmöglichkeiten in dieser Technologie erfahren in „5 beste Festkörperbatterie‑Aktien zum Beobachten oder Kaufen“).

Zinkbatterien

Da Zink ein sehr günstiges und reichlich vorhandenes Metall ist, wird es seit langem in nicht wiederaufladbaren Batterien verwendet. Wiederaufladbare Batterien können ebenfalls mit Zink gebaut werden, insbesondere zinkbasierte wässrige Batterien (ZABs).

Allerdings ist dieses Design von Dendritenbildung, parasitischer Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) und Oberflächenkorrosionspassivierung geplagt, was seine Nützlichkeit stark reduziert.

Dies ändert sich dank neuer Forschung an der Technischen Universität München¹. Sie nutzten ein poröses organisches Polymer namens TpBD-2F. Dieses Material bildet einen stabilen, ultradünnen und hochgeordneten Film auf der Zinkanode, der Zinkionen ermöglicht, effizient durch Nanokanäle zu fließen, während Wasser von der Anode ferngehalten wird.

Quelle: Advanced Energy Materials

Die zusammengebauten Vollzellen (Zn‑Ion‑Kondensatoren) liefern eine ultra‑lange Zykluslebensdauer von über 100.000 Zyklen, eine erstaunliche Haltbarkeit, dank nahezu vollständiger Unterdrückung der Dendritenbildung sowie ohne HER und Korrosion.

Zusätzlich zu Zinkbatterien denken die Forscher, dass dieses Konzept auf andere Metallanoden ausgeweitet werden könnte: Lithium, Natrium, Kalium, Aluminium usw.

TAQ‑Polymer‑ und Natrium‑Ion‑Batterien

Polymer (Kohlenstoff) und Natrium anstelle von Lithium können eine großartige Möglichkeit sein, die Kosten der Rohmaterialien für eine Batterie zu senken. Das haben Forscher am MIT in ihrer TAQ‑Natrium‑Ion‑Batterie kombiniert.

In den ersten Tests gelang es ihr, 2.000 Lade‑Entlade‑Zyklen ohne sichtbare Degradation zu bewältigen, während sie eine höhere Energiedichte als Lithiumbatterien und ein ultra‑schnelles 6‑Minuten‑Laden erreichte.

Dies zeigt, dass letztlich die Batteriemischung, die am wahrscheinlichsten das Rennen um ultra‑langlebige Batterien gewinnt, nicht einfach mehr vom Gleichen sein wird, sondern ein radikales Umdenken darüber, welche Materialien in einer Batterie verwendet werden können, wobei sowohl günstige als auch reichlich vorhandene Elemente wie Kohlenstoff und Natrium gute Kandidaten sind.

Geschmolzene Metallbatterien

Die meisten Batteriekonzepte basieren auf dem Transfer von Elektronen zwischen einem Oxidationszustand von festen Metallatomen zu einem anderen Oxidationszustand. Dabei müssen Anoden und Kathoden perfekt getrennt sein, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

Je mehr Metall und je weniger flüssige Bestandteile wie Elektrolyte, desto besser, wie bei Festkörperbatterien, oder so geht es in die Richtung der meisten der Batterieindustrie.

Indem sie radikal erweitern, was als Batterie gelten kann, gehen geschmolzene Metallbatterien das Gegenteil ein: alle drei Hauptkomponenten – Anode, Kathode und Elektrolyt – sind flüssig.

Sie trennen sich aufgrund unterschiedlicher Flüssigkeitsdichten von selbst. Die Tatsache, dass es keine festen Komponenten gibt, sollte theoretisch die Lebensdauer der Batterie dramatisch erhöhen, sowie ein sehr schnelles Laden und Entladen ermöglichen und die vollständige Recyclingfähigkeit gewährleisten.

Quelle: Ambri

Die von Bill Gates unterstützte Firma Ambri, die eine Calcium‑ und Antimon‑Batterie nutzt, ist ein Vorreiter dieser Technologie. Sie plante, produzieren 200.000 Batteriezellen pro Jahr in seiner neuen Fabrik bis 2024.

Dies kam jedoch nicht zustande, da das Unternehmen vor der Skalierung der Produktion das Geld ausging. Es hat seitdem im Sommer 2024 aus dem Chapter‑11‑Bankrott hervorgegangen und wird weiterhin vom Mitbegründer Dr. David Bradwell als CEO geleitet.

Wir freuen uns darauf, unser einzigartiges, sicheres und kostengünstiges kommerzielles Produkt in großem Maßstab unseren Kunden anzubieten, um die starke Kundennachfrage nach unseren Batteriesystemen zu befriedigen und eine sauberere Energiezukunft zu ermöglichen.

Während wir diesen Neuanfang mit einer stärkeren Bilanz und neuem Kapital angehen, konzentrieren wir uns darauf, Ambri eine führende Rolle im Markt für Langzeitenergiespeicherung zum Nutzen unserer Stakeholder zu verschaffen.

David Bradwell

So Ambri ist noch nicht tot, und es ist nicht das einzige Unternehmen, das an geschmolzenen Batterien arbeitet. Der japanische Isolationshersteller NGK (NGKIF) arbeitet ebenfalls an einer Natrium‑Schwefel‑Geschmolzensalz‑Batterie, und das Unternehmen Horien arbeitet an einer Natrium‑Nickel‑Chlorid‑Batterie.

Beide Unternehmensprodukte sind bereits kommerzialisiert und für eine Lebensdauer von über 20 Jahren bewertet.

Wärme‑/Thermobatterien

Die Definition von Batterien wird noch weiter ausgedehnt, von der Speicherung von Elektrizität zu jeder Form der Energiespeicherung; Wärmebatterien speichern grüne Energie in Form von Wärme statt elektrochemischer Energie.

Dies kann mehrere wichtige Vorteile gegenüber „normalen“ Batterien bieten:

• Wärmespeicherung über mehrere Monate ist mit ausreichender Isolation problemlos möglich, während chemische Batterien täglich mehr Energie verlieren.
• Der größte Teil des wärmespeichernden Materials kann hunderttausende Male ohne signifikante Degradation zyklisch verwendet werden.
• Verwendete Materialien sind billig und reichlich vorhanden, zum Beispiel Sand oder reiner Kohlenstoff.

Die Kombination aus günstigen Materialien, nahezu keiner Degradation über Jahrzehnte und mehrmonatiger Energiespeicherung macht Wärmebatterien zu einem guten Kandidaten.

Meist private Unternehmen erforschen diese Idee, insbesondere das finnische Unternehmen Polar Night Energy, das überschüssige Energie vom Sommer in den Winter speichert und dabei nur groben Sand sowie etwas Metall für Rahmen und Rohrleitungen verwendet.

Quelle: Polar Night Energy

Eine ähnliche Wärmebatterie wird von Rondo Energy konzipiert, mit keramischen Ziegeln, die bis zu 1500 °C erhitzt werden können, um die Wärme für industrielle Prozesse wie Zement‑ oder Stahlproduktion zu nutzen.

Quelle: Rondo Energy

Insgesamt kann dies eine großartige Option zur Dekarbonisierung von Sektoren sein, die noch viel fossile Brennstoffe verbrauchen, wie die Schwerindustrie und die Heizung von Wohnungen im Winter. Besonders, da das Design helfen kann, Energie vom sonnigen Sommer bis zum bewölkten Winter zu speichern.

Die gespeicherte Wärme könnte sogar wieder in Strom umgewandelt werden, dank thermophotovoltaischer Zellen, wobei Forscher der University of Michigan Zellen mit einem Rekord von 44 % Effizienz entwickelt haben².

Quelle: Design Boom

Fazit

Batteriesysteme für Stromnetze und Haushalte werden voraussichtlich weniger auf die aktuelle Lithium‑Ion‑Technologie und stärker auf billigere und langlebigere Technologien setzen, selbst wenn sie weniger energiedicht sind. Derzeit sind die für die Massenkommerzialisierung bereitstehenden fortschrittlichen Waben‑LFP‑ und Natrium‑Ion‑Batterien.

Langfristig werden wahrscheinlich exotischere Lösungen in das Portfolio aufgenommen, wie geschmolzene Metall‑, Zink‑, Polymer‑ oder Wärmebatterien. Letztlich werden die Haltbarkeit, die Materialkosten und die Herstellungskosten wahrscheinlich den entscheidenden Faktor dafür darstellen, welche sich als das „endgültige Ergebnis“ ultra‑langlebiger Energiespeicherung erweisen.

Das gilt, falls Festkörperbatterien nicht billig genug werden, um den gesamten Energiespeichermarkt zu übernehmen, was eine deutliche Möglichkeit darstellt.

Ultra‑langlebiges Batterieunternehmen

QuantumScape

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 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 das anodenfreie Design. Es ermöglicht ein ~15‑minütiges Schnellladen (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, was Energiedichte und Ladegeschwindigkeit angeht, und übertreffen führende Hersteller wie Tesla (TSLA ) (sowohl deren eigenes Design als auch von CATL hergestellte) massiv.

Quelle: QuantumScape

Allerdings wurden diese bemerkenswerten Leistungen regelmäßig durch Schwierigkeiten beim Hochfahren der Produktion behindert. Es zwang das Unternehmen zudem, 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 Elektrofahrzeugbatterien herstellen, mit der Option, auf 80 GWh pro Jahr zu erweitern.

Die plötzliche Skalierung der QuantumScape‑Produktion scheint mit Cobra, dem next‑generation Festkörperbatterie‑Separator‑Equipment des Unternehmens verbunden zu sein, einem Durchbruch in der Keramikherstellung.

Insgesamt sollte Cobra bis 2025 in die Produktion integriert werden, und das erste fertige Elektrofahrzeug mit QuantumScape‑Batterien sollte 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 Patenten zu wachsenden Einnahmen durch eine Partnerschaft mit einem der größten Automobilhersteller der Welt übergeht.

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

Neueste Entwicklungen zu QuantumScape

Studienreferenz:

^{1. Da Lei, et al, (2024) Ionentransportkinetik und Verbesserung der Grenzflächenstabilität von Zinkanoden basierend auf fluorierten kovalenten organischen Gerüst‑Dünnschichten. Advanced Energy Materials. 13. Oktober 2024}

^{2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) Hocheffiziente Luftbrücken‑Thermophotovoltaikzellen. Joule. Band 8, Ausgabe 7, S. 2135‑2145. 17. Juli 2024.}