Festkörperbatterietechnologie für Elektroautos: Die Herausforderungen liegen vor uns

Der Satz „Was ist unter der Haube?“ verliert zunehmend an Bedeutung. Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist der Motor oft der wichtigste Faktor für die Gesamtleistung des Fahrzeugs. Aber heute, wo Elektrofahrzeuge immer mehr in den Vordergrund rücken, ist diese Frage strittig – und das nicht nur, weil sich unter ihrer Haube normalerweise eine Vielzahl nicht-traditioneller Komponenten und vielleicht ein wenig Speicher befinden.

Für Verbraucher, die heute über den Kauf eines Elektrofahrzeugs nachdenken, ist die Batterie die wichtigste Komponente. Alle Elektrofahrzeuge für den Massenmarkt sind heute auf Lithium-Ionen-Akkus angewiesen, um die Elektromotoren anzutreiben, die sie antreiben. (Obwohl die Chemie manchmal anders ist, bleibt Lithium das Schlüsselelement.) Diese Batterien sind groß und schwer und nehmen oft den gesamten Boden des Autos ein; einige verschlingen sogar Teile des Kofferraums und des Getriebetunnels.

Heutige Batterien reagieren außerdem empfindlich auf extreme Temperaturen, laden sich immer noch langsam im Vergleich zum Auffüllen mit Gas, verschlechtern sich mit der Zeit und können zu furchterregend intensiven Infernos werden. Obwohl das Design von Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahren weitaus besser geworden ist (wodurch einzelne Zellen weitaus weniger explodieren), bedeutet ihre grundlegende Struktur, dass ein Brand immer ein Risiko darstellt.

Aber es ist ein neuer Batterietyp in der Entwicklung, der die Leistung von Elektrofahrzeugen revolutionieren könnte, was zu Akkus führen könnte, die mehr Energie bei geringerem Gewicht und geringerem Explosionsrisiko bieten. Sie werden Festkörperbatterien genannt und obwohl sie ein großes Potenzial bergen, müssen vor ihrer Markteinführung noch einige Hürden überwunden werden.

Um zu verstehen, was Festkörperbatterien auszeichnet, müssen wir ein wenig in die Technik einsteigen. Also schnall dich an, aber wir werden versuchen, es locker zu halten.

Nahezu alle Batterien, einschließlich herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien (die ebenfalls Lithium-Ionen als Kernchemie verwenden), weisen dieselbe Grundarchitektur auf. Auf der einen Seite befindet sich die Kathode, die beim Entladen als Pluspol dient. Auf der anderen Seite befindet sich die Anode, die den Minuspol darstellt. Was intern passiert, variiert je nach Batterietyp, aber im Allgemeinen führt eine Reaktion dazu, dass Elektronen von einer Seite zur anderen fließen, wodurch ein Stromkreis entsteht und Ihr Telefon, Ihre Uhr, Ihr Auto oder was auch immer mit Strom versorgt wird.

Die Lithium-Ionen-Batterien in Ihrem Smartphone oder Elektrofahrzeug sind so klein wie möglich konzipiert, sodass Anode und Kathode direkt nebeneinander liegen und bei zylindrischen Batterien manchmal sogar umeinander gewickelt sind. Die Berührung dieser beiden Komponenten würde zu einem elektrischen Kurzschluss führen, was eine sehr schlechte Nachricht ist. Um die Trennung zu gewährleisten, ist dazwischen eine Membran, ein sogenannter Separator, eingelegt. Normalerweise handelt es sich um eine dünne Kunststofffolie.

Damit die Batterie jedoch funktioniert, müssen Ionen von der Anode zur Kathode oder umgekehrt fließen, je nachdem, ob die Batterie Strom liefert oder aufgeladen wird. Wie bringt man sie dazu, durch einen Kunststoffabscheider zu fließen? Sie verwenden eine flüssige Elektrolytlösung und stellen sicher, dass der Separator porös genug ist, damit er fließen kann.

Bei einer Festkörperbatterie handelt es sich konzeptionell um die gleiche Grundstruktur: Anode und Kathode mit einem Separator dazwischen. Der Separator ist in diesem Fall jedoch der Elektrolyt, ein festes, oft keramisches Material, das den Ionenfluss direkt ermöglicht.

Es klingt nach einer kleinen Änderung, hat aber enorme Auswirkungen – sowohl positive als auch negative. Bevor wir uns mit den Herausforderungen befassen, wollen wir einige Vorteile von Solid-State-Geräten durchgehen.

Die Energiedichte einer Batterie gibt an, wie viel Strom sie bei einem gegebenen Gewicht oder Volumen tatsächlich abgeben kann. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da eine Batterie mit höherer Dichte weniger Gewicht bedeutet, was die Reichweite eines Elektrofahrzeugs tatsächlich erhöhen könnte, selbst wenn die elektrische Leistung der Batterie gleich bleibt.

„Wenn man sich hin zu Festkörperbatterien bewegt, liegt der Grund dafür, dass sie so nützlich sind und der Grund, warum man von ihnen diesen Leistungsvorteil erhält, darin, dass sie die Verwendung von Anoden mit höherer Energiedichte ermöglichen“, sagte Rory McNulty, Mitautor des Solid-State and Lithium Metal Batteries Report von Benchmark Mineral Intelligence. Laut McNulty könnte dieser Anstieg dazu führen, dass Batterien eine dreimal höhere Energiedichte haben als heutige Lithium-Ionen-Zellen.

Um das ins rechte Licht zu rücken: Ein 80-Kilowattstunden-Akku in einem Elektrofahrzeug wiegt heute durchschnittlich etwa 1.000 Pfund. Bei der dreifachen Dichte würde ein 80-kWh-Festkörperpaket nur 333 Pfund wiegen. Weniger Gewicht bei einem Elektrofahrzeug bedeutet mehr Reichweite.

„Festkörperbatterien sollten im Allgemeinen, abhängig davon, wie dünn der Elektrolyt ist, viel schneller aufgeladen werden können als [heutige Flüssigelektrolyt]-Lithium-Ionen-Batterien. Ohne Sicherheitsbedenken“, sagte McNulty.

Spezifische Prognosen für Festkörperbatteriepakete gibt es überall, aber viele Festkörper-Startups gehen davon aus, dass eine vollständige Aufladung in etwa 10 bis 15 Minuten erfolgt. Eine vollständige Aufladung heutiger typischer Lithium-Ionen-Akkus dauert an einem Schnellladegerät problemlos eine Stunde oder länger.

Unter normalen Bedingungen ist ein mit Lithium-Ionen-Batterien ausgestattetes Elektrofahrzeug absolut sicher. Wenn ein Akku jedoch durch Beschädigung oder unsachgemäßes Laden zu heiß wird, kann es zu einer Kettenreaktion kommen. Diese flüssigen Elektrolyte, die die Batterien füllen? Nun, sie sind sehr leicht entflammbar.

„Wenn es bei einer Batterie zu einem sogenannten thermischen Durchgehen kommt, kommt es zu Reaktionen mit dieser Flüssigkeit“, sagte McNulty. „Diese Kettenreaktionen erzeugen viel Hitze, die die Reaktionen dann noch weiter beschleunigt und einen Brand verursacht.“

Bei Festkörperbatterien gibt es keine flüssigen Elektrolyte, sodass die Brandgefahr auch bei extrem hohen Ladegeschwindigkeiten gering bleibt.

Der Bau einer Lithium-Ionen-Batterie kann ein langwieriger Prozess sein. Nachdem die Zelle aufgebaut ist, folgt eine Füll- und Konditionierungsphase, in der der flüssige Elektrolyt aufgetragen wird. „Sie laden und entladen die Batterie sanft und sanft, sodass die Elektroden ihre Schutzschicht bilden können, fast wie eine Vorbereitung darauf, dass die Batterie in ihre normale Lebensdauer übergeht“, sagte McNulty. „Mit einem Festkörperseparator sind diese Schritte jetzt nicht mehr erforderlich, sodass Sie bis zu drei Wochen Verarbeitungszeit in Ihrer Fertigungslinie einsparen können.“

Im Zeitalter der schnellen Fertigung und der Just-in-Time-Lieferlogistik wäre die Verkürzung des gesamten Herstellungsprozesses eines Autos um drei Wochen enorm.

Das hört sich alles großartig an, und es ist kein Wunder, dass Dutzende Startups daran arbeiten, Festkörperbatterien auf den Markt zu bringen, viele davon mit großer Finanzierung durch große OEMs und optimistischen Prognosen für Produkteinführungen bis 2025. Das mag allerdings optimistisch sein. Schauen wir uns einige der Hindernisse an.

Obwohl die inneren Bestandteile von Batterien je nach Konstruktion variieren, ist Lithium in den meisten Fällen ein Schlüsselfaktor. Weltweit haben sich die Lithiumpreise allein im vergangenen Jahr verdreifacht, und das, obwohl sich die weltweite Lithiumproduktion allein in den letzten fünf Jahren verdreifacht hat. Es besteht ganz einfach ein weltweiter Mangel an dem Zeug.

Das Problem ist, dass Festkörperbatterien tatsächlich sogar mehr Lithium verbrauchen könnten als heutige Lithium-Ionen-Akkus. Erinnern Sie sich an die oben erwähnten Anoden mit höherer Dichte? Sie werden wahrscheinlich aus reinem Lithiummetall bestehen. „Mittlerweile kann Lithiummetall die spezifische Energie Ihrer Batterie um das Dreifache erhöhen, aber es liegt als reines Lithium vor, was bedeutet, dass auch die Lithiumintensität erhöht ist“, sagte McNulty und wies darauf hin, dass dies die Lithiumknappheit verschärfen werde.

„Es wird zwischen dem Fünf- und Zehnfachen der Lithiummenge für die gleiche Batterie sein“, sagte Dr. Jordan Lindsay, Forschungs- und Innovationsmanager bei Minviro, einem britischen Beratungsunternehmen, das die Umweltauswirkungen der Rohstoffproduktion quantifiziert. „Wenn Sie also Recycling schaffen, ist das cool. Aber wenn nicht, prognostizieren wir bereits Schwierigkeiten bei den Lieferketten für normale Lithium-Ionen-Akkus, daher habe ich keine Ahnung, wie wir Festkörperressourcen nutzen.“

Laut Lindsay gibt es derzeit keine wirksamen Möglichkeiten, Solid-State-Packs zu recyceln.

„Eines der Probleme bei Festkörperbatterien besteht darin, dass wir beim Recycling von Lithium besser werden müssen. Derzeit kann man mit Lithium-Ionen-Batterien Nickel, Kobalt, Mangan – Aluminium und Kupfer – aus den Zellkomponenten ziemlich gut recyceln.“ ziemlich gut“, sagte Lindsay. „Aber Graphit und Lithium sind das Problem. Sie sind der Knackpunkt beim umfassenden Batterierecycling im geschlossenen Kreislauf. Sie arbeiten immer noch daran, die Effizienz zu ermitteln.“

Recycling könnte dazu beitragen, die Probleme in der Lieferkette anzugehen und gleichzeitig Umweltbedenken auszuräumen, aber Lindsay befürchtet, dass es möglicherweise nicht schnell genug kommt, um die Situation zu lösen: „Materialien haben eine enorme Bedeutung, und ich glaube nicht, dass sie so ernsthaft angegangen wurde.“ könnte sein."

Er fuhr fort: „Ich denke, es gibt so ein chaotisches Gerangel, um voranzukommen und die industrielle Seite des Batterierecyclings voranzutreiben, weil es im Hinblick auf die LCA [Lebenszyklusbewertung] wirklich wichtig ist und nicht unbedingt eine Auswirkung auf die Umwelt hat, weil die Recyclingprozesse.“ Für sich genommen sind sie ziemlich energieintensiv, aber im Hinblick auf die Verringerung der Belastung der Lieferketten ist das unerlässlich. Wir werden nicht in der Lage sein, alle diese Batterien ohne Recycling herzustellen.“

Kurze Auffrischung: Bei Festkörperbatterien sind Anode und Kathode durch einen Festelektrolyten getrennt. Das bedeutet kleinere, dichtere Batterien und reines Lithium mit höherer Dichte für eine der Elektroden.

So weit, so gut, oder? Nun haben Forscher ein Problem entdeckt, das auch die Lithium-Ionen-Batterien betrifft, die heutige Elektrofahrzeuge antreiben, insbesondere wenn sie wiederholt an Hochleistungs-Schnellladestationen aufgeladen werden. Mit zunehmendem Alter dieser Batterien verändert sich die Form der Lithiumelektrode und wächst auf seltsame, organische Weise. Das Lithium bildet sogenannte Dendriten, verzweigte Metallstrukturen, die buchstäblich in den Festelektrolyten hineinwachsen.

Schließlich werden diese Dendriten so lang, dass sie bis zur anderen Seite des Elektrolyten vordringen und den Akku kurzschließen. Auch das sind schlechte Nachrichten. Aktuelle MIT-Forschung hat festgestellt, dass sich Dendriten aufgrund interner Spannungen innerhalb der Batteriekonstruktion bilden. Durch die Anwendung anderer physikalischer Belastungen fanden diese Forscher heraus, dass sie das Dendritenwachstum hemmen können. Da diese Ergebnisse jedoch frisch aus dem Labor stammen, könnte es Jahre dauern, bis eine Lösung in der Massenproduktion angewendet werden kann.

Der vielleicht größte Nachteil von allen sind die Kosten. Festkörperbatterien erfordern nicht nur eine höhere Dichte seltener Metalle, sondern ihre Konstruktionstechnik unterscheidet sich auch völlig von der heutiger Lithium-Ionen-Zellen. Das bedeutet, dass neue Fabriken, neue Verfahren und neue Vorteile der Massenfertigung noch erfunden werden müssen.

Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass diese Batterien irgendwann noch günstiger werden. „Die erste Kommerzialisierung einer Festkörperbatterie wird preislich nicht mit den [heutigen] Lithium-Ionen-Batterien konkurrenzfähig sein; sie wird mit höheren Kosten verbunden sein“, sagte McNulty. „Aber diese Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Reichweite und Ähnliches würden das wahrscheinlich wettmachen. Mit der Zeit, in den ersten fünf bis zehn Jahren der Kommerzialisierung, wird es kostenmäßig wettbewerbsfähiger, da sich die Technologie verbessert.“

Berichten zufolge werden einige Hersteller in den nächsten Jahren Festkörperbatterien für Autos produzieren, aber es ist klar, dass dies zunächst in äußerst begrenztem Umfang erfolgen wird.

„Wenn wir also über Massenproduktion sprechen, würde ich sagen, dass 2030 ein optimistischer Vorschlag dafür ist, wann die ersten Festkörperbatterien für Verbraucher in großem Maßstab erhältlich sein werden“, sagte McNulty. „Und diese ersten Fahrzeuge werden wirklich Prüfstandsysteme sein, die sehr teuer sein werden. Sie werden leistungsstark sein, aber ich denke, die Idee dieser Fahrzeuge wäre, sich an die Technologie zu gewöhnen, und ich glaube nicht, dass das der Fall sein wird.“ Wir wollen große Mengen davon bauen, bis wir einigermaßen beherrschen, wie die Technologie in der natürlichen EV-Anwendung aussieht.“

McNulty sagt, dass 2032 bis 2035 eine realistischere Schätzung dafür ist, wann wir Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterie in Massenproduktion sehen könnten. Damit haben Batterieentwickler etwa ein Jahrzehnt Zeit, um die Recycling- und Lieferkettenprobleme zu klären. Aber Lindsay von Minviro ist optimistisch, dass wir bis dahin auch mit der Konstruktion unserer Autobatterien sparsamer umgehen könnten: „Es klingt irgendwie albern und einfach, aber nur die Halbierung der Batteriegröße würde die Belastung reduzieren“, sagte er. „Ich denke, bei der Diskussion muss es darum gehen, die Batteriegröße zu halbieren und Batterien herzustellen, die so funktionieren, wie die Menschen es brauchen.“

Die Überwindung Ihrer Reichweitenangst könnte also der letzte Schlüssel zum Funktionieren von Festkörperbatterien sein.