Energie
Arbeiten an Festkörperbatterien gehen weiter, während Forscher sich auf das Wesentliche konzentrieren
Festkörperbatterien, die verwendet werden in Smartphones, Elektrowerkzeugen und Elektrofahrzeugen, unterscheiden sich von Li‑Ion‑Batterien durch ihren Einsatz von Elektrolyten. Während eine Li‑Ion‑Batterie einen flüssigen Elektrolyten verwendet, nutzt eine Festkörperbatterie einen festen Elektrolyten.
Bei Li‑Ion‑Batterien ist ein Separator vorhanden, um Kathode und Anode zu trennen. In Festkörperbatterien übernimmt der feste Elektrolyt ebenfalls die Rolle des Separators.
Obwohl dies nur Unterscheidungsmerkmale sind, hat die wissenschaftliche und technologische Gemeinschaft Festkörperbatterien entwickelt, weil sie eine verbesserte Stabilität durch ihre feste Struktur und erhöhte Sicherheit bieten. Sie arbeiten weiter daran, da diese Batterien ihre Form selbst bei Beschädigung des Elektrolyten beibehalten.
Eine Festkörperbatterie bietet eine höhere Energiedichte und birgt kaum ein Risiko für Explosionen oder Brände. Da sie keine zusätzlichen Sicherheitselemente benötigt, steht mehr Platz für aktive Materialien zur Verfügung, was die Batteriekapazität erhöht. Die verbesserte Energiedichte sorgt zudem dafür, dass der Batteriebedarf gering bleibt, was zu einem optimalen EV‑Batteriesystem für Modul und Pack führt.
Für diese Vorteile glauben Marktexperten vor allem, dass Festkörperbatterien zu einem Wendepunkt werden, um Elektrofahrzeuge mit Verbrennungsmotoren konkurrieren zu lassen und letztlich im Rennen voranzukommen. Doch das hindert Forscher nicht daran, zu untersuchen, wie Festkörperbatterien nützlicher gemacht werden können. In einer solchen Forschung, haben Wissenschaftler den Fall einer hochenergetischen, ultradünnen Lithium‑Metall‑Festkörperbatterie vorgeschlagen, die durch einen Li2CO3‑beständigen, garnet‑artigen Festelektrolyten ermöglicht wird.
Obwohl all das sehr technisch klingen mag, gehen wir im nächsten Abschnitt genauer darauf ein, was die Forschung zu erreichen versucht!
Ermöglichung einer ultradünnen Lithium‑Metall‑Festkörperbatterieplattform mit hoher Stabilität und Energiedichte
Professor Byoungwoo Kang und Dr. Abin Kim von der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik an der POSTECH entwickelten einen Festelektrolyten, der eine ultradünne Lithium‑Metall‑Festkörperbatterieplattform mit hoher Stabilität und Energiedichte ermöglicht.
Der Durchbruch erzielte Ergebnisse, indem er eine der häufigsten Sorgen bei Festkörperbatterien löste. Was war dieses Problem und wie konnte es gelöst werden? Lassen Sie uns unten einen detaillierten Blick darauf werfen!
Das LLZO-Problem
Der garnet‑artige Festelektrolyt, der in Festkörperbatterien verwendet wird und auch als Li7La3Zr2O12 oder LLZO bekannt ist, besitzt eine hohe Ionenleitfähigkeit. Gleichzeitig ist er stark reaktiv und bildet bei Luftkontakt eine Kontaminationsschicht (Li2CO3) auf seiner Oberfläche. Diese Schicht bringt mehrere Nachteile oder Hindernisse mit sich, darunter die Entstehung einer resistiven Barriere beim Zellaufbau, die Verringerung der Kontakt‑ und Grenzflächeneigenschaften der Elektrolyte und Reaktanten usw.
Die Innovation nahm dieses Hindernis auf und wandte es um, indem sie sich auf die wesentlichen Eigenschaften konzentrierte, anstatt eine externe Lösung zu suchen. Die Forscher entwickelten eine lufthandhabbare LLZO‑Technologie (AH‑LLZO), die gleichzeitig die Oberflächen‑ und Inneren Eigenschaften von LLZO verbessern und die Bildung von Kontaminationsschichten verhindern kann.
Sie erreichten ihr Ziel, indem sie ein neues hydrophobes Verbindungsmittel (Li‑Al‑O) sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren des Materials entwickelten. Diese Verbindung verhindert, dass die Kontamination intern verbreitet wird, indem die Schicht nur mit Luftfeuchtigkeit reagiert.
Die Schicht als Lösung mit verbesserten Kontakt‑ und Benetzungs Eigenschaften führte zudem zur Entwicklung ultradünner Lithium‑Festkörperbatterien, die etwa ein Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares betragen.
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Warum wird die Forschung als Durchbruch angesehen?
Die Ergebnisse haben zu einem Szenario geführt, in dem ultradünne Lithium‑Metallschichten hergestellt werden können, was zu einem geringen Kapazitätsverhältnis von Anode zu Kathode von etwa 0.176 in Festkörperbatterien führt.
Das Experiment ermöglicht zudem eine erhebliche Reduktion der verwendeten Lithium‑Metallmenge, wodurch das Gesamtgewicht und -volumen der Batterie verringert und die Energiedichte deutlich verbessert wird.
Wird die Forschung umgesetzt, würde sie die Lagerung an der Luft ohne spezielle Handhabung oder Einrichtungen ermöglichen. Neben der Vereinfachung des gesamten Prozesses führt die Innovation zur Herstellung garnet‑artiger Festelektrolyte mit höherer praktischer Nutzbarkeit.
Während wir über die Zukunft sprechen, bemerkte Professor Byoungwoo Kang:
“Wir werden weiter an ultradünnen Lithium‑Metall‑Festkörperbatterien arbeiten, die hohe Sicherheit und hohe Energiedichte erreichen können.”
Die Forschung zeigt, dass die Konzentration auf das Wesentliche uns helfen kann, die Schwächen eines Produkts in Stärken zu verwandeln. Unternehmen und kommerzielle Akteure investieren in Forschung und Ressourcen, um Festkörperbatterien für zukünftige Automobile geeigneter und vorteilhafter zu machen. In den folgenden Abschnitten betrachten wir solche Unternehmen und ihre Innovationen.
#1. Solid Power
Ein Unternehmen, das in diesem Bereich außergewöhnliche Arbeit leistet, ist Solid Power. Seine All‑Solid‑State‑Batterien bieten hohe Energie, verbesserte Sicherheit, längere Lebensdauer und erhebliche Kostenvorteile.
Sie ermöglicht den Einsatz von Hochkapazitäts‑Elektroden wie hochgradigem Silizium und Lithium‑Metall, während die Sicherheitsstandards durch den Verzicht auf reaktive und flüchtige flüssige und gelartige Komponenten verbessert werden.
Das Ergebnis zeigt sich in Batterien, die extrem heißen Temperaturen standhalten und effizient arbeiten können. Das Unternehmen behauptet, dass seine Produkte einen Kostenvorteil von 15‑35 % gegenüber Li‑Ion‑Paketen haben.
Das All‑Solid‑State‑Batterie‑Portfolio von Solid Power umfasst drei Hauptprodukte: Silicon‑EV‑Zellen, Lithium‑Metal‑Zellen und Conversion‑Reaction‑Zellen.
Silizium‑EV‑Zelle
Sie verfügt über eine siliziumreiche Anode, die zu hohen Ladegeschwindigkeiten und geringeren Temperaturgrenzen führt. Solid Powers proprietäre, sulfidbasierte Festelektrolyte treiben die Lösung an. Sie verwendet branchenübliche, kommerziell ausgereifte NMC‑Kathoden.
Lithium‑Metall
Das Produkt leitet seinen Namen von seinen hochenergetischen Lithium‑Metall‑Anoden ab. Es hat eine leicht höhere Kapazität als die Silicon‑EV‑Zelle, die eine Spezifikation von 390 Wh/kg hat, während die Lithium‑Metall‑Zelle 440 Wh/kg erreicht.
Conversion‑Reaction‑Zelle
Unter allen Produkten im Portfolio von Solid Power weist sie die maximale Leistungsfähigkeit von 560 Wh/kg auf. Ihre Besonderheit liegt in der ultra‑kostengünstigen und hochspezifischen Energie‑Conversion‑Kathode.
Mit Sitz in Colorado, USA, ist Solid Power fest davon überzeugt, dass seine Batterien transformative Kapazitäten besitzen. Es glaubt, dass seine All‑Solid‑State‑Batteriezellen die Volumen‑ und Kostenvorgaben der OEMs erfüllen würden.
(SLDP )
In seiner neuesten verfügbaren Investitionspräsentation, behauptet das Unternehmen (Nasdaq: SLDP), der einzige börsennotierte Pure‑Play‑Entwickler für echte Festkörperbatterien zu sein, der bisher 700 Mio. US‑$ aufgebracht hat. Das Unternehmen profitiert von seiner über ein Jahrzehnt langen F&E‑Investitionsgeschichte, die zu fast 50 globalen Patentfamilien und drei branchenführenden Entwicklungspartnern (BMW, Ford, SK On) geführt hat.
#2. QuantumScape
QuantumScape, ein weiterer wichtiger Akteur in diesem Bereich, erklärt, dass es die Mission habe, die Energiespeicherung mit Festkörper‑Lithium‑Metall‑Batterietechnologie zu transformieren. Es behauptet außerdem, ‘höhere Energiedichte, schnelleres Laden und verbesserte Sicherheit’ zu ermöglichen – die drei wesentlichen Grundqualitäten, auf die sich die POSTECH‑Forschung ebenfalls konzentriert.
Ein besonders bemerkenswertes Merkmal von QuantumScape ist, dass es das erste anodenlose Zellendesign der Branche entwickelt hat, was zu einer hohen Energiedichte bei reduzierten Materialkosten und vereinfachter Fertigung führt.
Die QuantumScape‑Technologieplattform nutzt verschiedene Kathodenchemien, um die Energiedichten heutiger Nickel‑Mangan‑Kobalt‑(NMC) und Lithium‑Eisen‑Phosphat‑(LFP)‑basierter Batteriezellen erheblich zu verbessern. Ihre Bemühungen sorgen für eine Optimierung für diverse Energiespeicheranwendungen und halten das Feld bereit, zukünftige Fortschritte in der Kathodenchemie zu nutzen.
Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal des Unternehmens ist sein Separator‑Material, das aus Keramik besteht und hohe Leitfähigkeit, Stabilität gegenüber Lithium‑Metall, Widerstand gegen Dendritenbildung und geringe Grenzflächenimpedanz bietet. Ein weiterer Vorteil der Keramik ist die erhöhte Sicherheit, da sie nicht brennbar ist und daher sicherer als herkömmliche Polymerseparatoren, die aus Kohlenwasserstoffen bestehen und leichter entflammbar sind.
QuantumScape arbeitet mit dem Ziel von 800–1.000 Wh/L für seine Festkörper‑Lithium‑Metall‑Zellen.
(SLDP )
Finanziell wird QuantumScape (NYSE: QS) von über 2 Mrd. US‑$ an Kapitalinvestitionen unterstützt. Es verfügt über mehr als 300 Patente und Patentanmeldungen.
Die Zukunft der Festkörperbatterien
Festkörperbatterien sind keine Zukunftstechnologie mehr, da die Zukunft bereits eingetroffen ist. Viele hochmoderne Forschungen von erstklassigen Instituten treiben ihre Entwicklung täglich voran.
Im Januar 2024 präsentierten Forscher der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) beispielsweise eine Festkörperbatterie mit Lithium‑Metall, die 6.000 Lade‑/Entladezyklen liefern kann – deutlich mehr als jede andere Pouch‑Batteriezelle auf dem Markt.
Die Forschung ähnelt der, die wir zu Beginn unseres Artikels zitierten, da Harvard‑Forscher ebenfalls das bekannte Problem der Dendritenbildung auf der Anodenoberfläche behandelten.
Abgesehen von den bereits erwähnten spezialisierten Unternehmen, darunter Solid Power und QuantumScape, sind auch große Akteure in diesem Feld aktiv. Beispielsweise kündigten Toyota und Idemitsu Kosan im Oktober 2023 eine Partnerschaft zur Entwicklung von Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge an.
Die Vision, die diese Zusammenarbeit antrieb, war zumindest ambitioniert. Sie sagte in der Pressemitteilung:
“Durch diese Zusammenarbeit streben die beiden Unternehmen, die weltweit führend in Bereichen wie der Materialentwicklung für All‑Solid‑State‑Batterien sind, die erfolgreiche Kommerzialisierung von All‑Solid‑State‑Batterien bis 2027‑28 an – wie auf dem Toyota Technical Workshop im Juni 2023 angekündigt – gefolgt von einer großflächigen Serienproduktion.”
Ein weiteres Unternehmen, das in diesem Bereich einen großen Sprung wagte, war Honda. Das Unternehmen ist bereits seit einiger Zeit in diesem Bereich aktiv. Im Januar 2024 erklärte die Honda‑Leitung, dass sie eine Gewichtsreduktion von 50 % anstreben – oder anders ausgedrückt, eine Steigerung der Energiedichte um 50 % pro Gewicht.
Der Honda‑CEO Toshihiro Mibe erklärte, dass Honda, wenn es ein Auto für 30.000 $ herstellen wolle, Festkörperbatterien in Betracht ziehen könnte, da die Batteriekosten sinken, die Reichweite steigt und das Kühlsystem vereinfacht werden könnte.
Allerdings stehen globale Bemühungen, Festkörperbatterien robuster und sicherer zu machen, weiterhin vor einigen Herausforderungen. Ziel ist es, die Grundeigenschaften zu optimieren, einschließlich Sicherheit, Stabilität, Energieperformance und elektrochemische Speichereffizienz. Die Hindernisse hingegen umfassen die langfristige Leistungsfähigkeit, die Wirtschaftlichkeit und die präzise Erfüllung spezifischer Leistungsstandards.
Wenn wir tiefer eintauchen, sehen wir, dass die Herausforderungen auch eine unzureichende Zyklusleistung bei aktuellen Festkörperbatterien (SSBs) aufgrund von Materialdegradation in Anoden, Kathoden und Elektrolyten umfassen. Der United States Council for Automotive Research hat ein Batterielebensdauerziel von 10 Jahren mit 1.000 Zyklen bei 80 % Entladetiefe festgelegt.
Was Festkörperbatterien häufig daran hindert, dieses Ziel zu erreichen, ist die Bildung von Raumladungs‑Schichten, die zu langsamer Grenzflächenkinetik und hoher Impedanz führen, sowie das Wachstum von Dendriten, das Kurzschlüsse und Sicherheitsgefahren verursacht.
Es gibt jedoch Lösungen für diese Herausforderungen. Hersteller müssten sich auf die Produktion von Hochenergiedichte‑SSBs und deren Verbesserungen konzentrieren. Schließlich besitzen diese Produkte eine hohe thermische Stabilität, die Sicherheitsbedenken selbst bei Temperaturen über 200 °C eliminiert, während flüssige Elektrolyte bereits bei etwas über 70 °C problematisch werden können. Festelektrolyte können einen auslaufsicheren Betrieb bieten und eine höhere elektrochemische Stabilität als ihre flüssigen Gegenstücke gewährleisten.
Festelektrolyte sind zudem wünschenswerter, da sie die Kapazitätsabnahme und interne Kurzschlüsse reduzieren können. Ihre hohe Ionenleitfähigkeit und niedrige Elektronenleitfähigkeit sorgen zudem dafür, dass Fahrzeuge schneller geladen werden.
Laut Schätzungen von QuantumScape könnte ein Fahrzeug, das mit einer der heutigen erstklassigen traditionellen Lithium‑Ion‑Zellen mit einer Energiedichte von ~700 Wh/L etwa 350 Meilen Reichweite pro Ladung erzielt, mit QuantumScapes Festkörperzellen zwischen 400 und 500 Meilen Reichweite erreichen.
Insgesamt sind Festkörperbatterien für die zukünftige Mobilität unverzichtbar. Sie sollten effizient, sicher, kostengünstig und langlebig sein.
