Nachhaltigkeit
Wie Princetons Festkörperbatterietechnologie die Energiespeicherung verändern könnte
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Die ultimative Batterie
Da Batterien zur Grundlage von EV-Antrieben geworden sind, haben sich ihre Leistung und ihr Sicherheitsprofil verbessert. Bisher wurde dies mit Variationen von Lithiumbatterien erreicht, entweder Lithium-Ionen-Batterien (Lithium-Nickel-Mangan NMC & Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium NCA) oder Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP). Es war eine transformative Technologie, die zu Recht brachte seinen Erfindern den Nobelpreis für Chemie 2019 ein (Folgen Sie dem Link zur Geschichte der Erfindung der Lithium-Ionen-Batterie).
Bisher ging man davon aus, dass diese Batterien aufgrund ihrer extrem hohen Energiedichte weiterhin den Batteriemarkt dominieren würden.
Quelle: S & P Global
Allerdings ist die Energiemenge, die herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien speichern können, begrenzt. Deshalb suchen Forscher nach anderen Optionen, von denen Festkörperbatterien die aussichtsreichsten sind.
Festkörperbatterien gelten als sicherer, energiedichter und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings ist es sehr schwierig, sie in großem Maßstab und auf kosteneffiziente Weise zuverlässig herzustellen, was ihre Einführung verlangsamt hat.
Dies könnte sich ändern, und Forscher der Princeton University, der Purdue University, der University of Michigan und des Brookhaven National Laboratory liefern neue Erkenntnisse über die Ursachen des Versagens von Festkörperbatterien.
Ihre neuesten Entdeckungen veröffentlichten sie in zwei wissenschaftlichen Artikeln in Advanced Energy Materials.1 und ACS Energy Letters2unter den Titeln „Lithiumkinetik in porösen Ag-C-Zwischenschichten in reservoirfreien Festkörperbatterien"&"Filamentinduziertes Versagen in Festkörperbatterien ohne Lithium-Reservoir".
Sie analysierten auch den aktuellen Stand der Batteriewissenschaft in Bezug auf anodenfreie Batterien und veröffentlichten ihn in Nature Materials.3, unter dem Titel "Elektro-Chemo-Mechanik anodenfreier Festkörperbatterien".
Anodenfreie Festkörperbatterie
Die Idee von Festkörperbatterien besteht darin, den flüssigen Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien durch eine Schicht aus festem Metall zu ersetzen. Dies ist die Hauptquelle für Effizienzgewinne, da Elektrolyte schwer und voluminös sind.
Quelle: Universität von Chicago
Dies verbessert auch das Sicherheitsprofil, da Elektrolytlösungsmittel normalerweise entflammbar sind und seltene, aber spektakuläre Batteriebrände verursachen, die den frühen Elektrofahrzeugen einen schlechten Ruf eingebracht haben.
Forscher haben kürzlich einen weiteren Schritt unternommen, indem sie die Hälfte der Batterie vollständig entfernt haben. Batterien bestehen aus einer Kathode und einer Anode, die jeweils eine andere elektrische Ladung haben.
Anodenfreie Batterien verzichten vollständig auf die Notwendigkeit einer Anode,
Quelle: Princeton University
In ihrer Analyse der aktuellen anodenfreien Technologie argumentieren die Princeton-Forscher, dass das Hauptproblem bei der Weiterentwicklung dieser Technologie eher ein mangelhaftes Verständnis der mechanischen Wirkung des Lade-Entlade-Zyklus und weniger chemische Reaktionen seien.
Herausforderungen im Bereich Festkörper
Bei einer klassischen Batterie ist die Verbindung zu den Elektroden (Anode und Kathode) relativ einfach, da der Elektrolyt flüssig ist. Bei einer Festkörperbatterie muss das feste Metall perfekt mit dem Stromkollektor in Kontakt bleiben.
Wenn dieser nicht vollkommen gleichmäßig ist, werden Bereiche mit gutem Kontakt zu Hotspots, während Bereiche mit schlechtem Kontakt Hohlräume bilden.
Um zu verstehen, warum das passiert, müssen Forscher den komplexen Prozess beim Laden und Entladen der Batterie genau verstehen. Dies ist nicht nur ein chemisches, sondern auch ein mechanisches Phänomen, bei dem das Material im Laufe der Zeit leicht seine Form verändert.
Im ersten Papierentdeckten sie, dass Druck eine wichtige Rolle bei der Reaktion des Festkörpermetalls spielen kann.
Probleme mit niedrigem Druck
Rasterelektronenmikroskopie zeigt, dass Lithium mit zunehmendem Druck einen größeren Oberflächenkontakt hat. Das bedeutet, dass zu geringer Druck den ungleichmäßigen Kontakt, der durch diese Oberflächenunregelmäßigkeiten verursacht wird, nicht ausreichend verbessert.
Quelle: ACS-Veröffentlichung
Letztendlich führte die ungleichmäßige Beschichtung zur Bildung scharfer Metallfäden, die wie winzige Nadeln den festen Elektrolyten durchstechen und einen Kurzschluss der Batterie verursachen konnten.
Hochdruckprobleme
Obwohl der hohe Druck eine gleichmäßige Beschichtung und Ablösung bewirken kann, handelt es sich hierbei nicht um eine Wunderlösung.
Die Forscher stellten fest, dass der Elektrolyt und der Stromkollektor dadurch so stark zusammengepresst wurden, dass jegliche Unregelmäßigkeiten in beiden Bereichen vergrößert wurden, bis die mechanische Belastung zur Bildung von Rissen führte.
Quelle: ACS-Veröffentlichung
Mithilfe einer Röntgentomografie gelang es den Forschern, diese unter hohem Druck entstehenden Risse abzubilden.
Wenn der Stapeldruck von 2 auf 10 MPa erhöht wird, vergrößert sich das gesamte Rissvolumen. Viele Risse reichen bis zur Gegenelektrodenseite (Abbildungen 3b–e und S10), und ein einziger Lithiumdendrit, der die Gegenelektrode erreicht, kann einen Kurzschluss verursachen.
Quelle: ACS-Veröffentlichung
Insgesamt wird das Endziel der Batterieindustrie darin bestehen, den optimalen Punkt zwischen ausreichend niedrigem Druck und effizientem Kontakt zu finden.
„Der heilige Gral in diesem Bereich wird sein, herauszufinden, wie man bei niedrigem Druck einen festen Kontakt aufrechterhält, da die Herstellung eines fehlerfreien Elektrolyten praktisch unmöglich ist. Wenn wir das Potenzial dieser Batterien ausschöpfen wollen, müssen wir das Kontaktproblem lösen.“
Prof.. Kelsey Hatzell – Außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik
Bessere Beschichtung
Eine gleichmäßigere Beschichtung zu erreichen, ist das Thema von das zweite Papier veröffentlicht vom Team von Prof. Hatzell und seinen Mitarbeitern an anderen Universitäten und Laboren.
Sie fanden heraus, dass eine dünne Beschichtungsschicht zwischen dem Stromkollektor und dem Elektrolyten einen besseren Ionentransport ermöglicht. Sie testeten mehrere Designs für diese Beschichtung.
Letztendlich fanden sie heraus, dass Zwischenschichten aus Kohlenstoff und Silbernanopartikeln die beste Option waren. Das Silber in diesen Zwischenschichten bildete beim Laden und Entladen der Batterie Legierungen mit Ionen und ermöglichte so eine gleichmäßige Beschichtung und Ablösung vom Stromkollektor.
Allerdings kommt es sehr auf die Details der Herstellung der Silberpartikel an. Bei Verwendung größerer Nanopartikel von 200 nm (Nanometer) bildeten sich auf dem Stromkollektor dünne, ungleichmäßige Metallstrukturen. Dies verringerte die Kapazität und führte nach mehreren Ladezyklen schließlich zum Ausfall der Batterie.
„Nur wenige Gruppen haben die tatsächlichen Prozesse untersucht, die in diesen Zwischenschichten ablaufen. Unter anderem haben wir gezeigt, dass die Stabilität dieser Systeme mit der Morphologie des Metalls zusammenhängt, wenn es sich vom Stromkollektor ablöst.“
50 nm große Silberpartikel zeigten eine deutlich bessere Leistung und erzeugten dichtere und gleichmäßigere Strukturen, was zu Batterien mit größerer Stabilität und höherer Leistungsabgabe führte.
„Diese Erkenntnisse können zur Strategie für die Herstellung dieser Zwischenschichten beitragen.
Indem wir die Größe der Silberpartikel reduzieren, können wir sicherstellen, dass wir nur die Vorteile des Silbers in der Zwischenschicht erhalten, was uns wiederum ermöglichen könnte, auch bei niedrigem Druck einen guten Kontakt und eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen.“
Bessere Festkörperbatterien bauen
Lange Zeit hatte das Konzept der Festkörperbatterie Schwierigkeiten, aus den Laboren in die Fabriken zu gelangen und dort in großem Maßstab produziert zu werden.
Dies ändert sich nun, da Länder wie China, Japan und Südkorea Pläne haben, kurzfristig Feststoffbatterien auf den Markt zu bringen.
Beispielsweise:
- Samsung SDI (006400.KS) hat versprochen, bis 2027 mit der Massenproduktion von Festkörperbatterien zu beginnen
- Hyundai (HYMTF) sucht in Massenproduktion bis 2030
- Toyota (TM ) hat ein Massenproduktionsziel von 2028und aktualisiert damit sein bisheriges Ziel für 2030.
„Die Herausforderung wird darin bestehen, in nur wenigen Jahren von der Forschung in die Praxis zu gelangen. Hoffentlich wird die Arbeit, die wir jetzt bei MUSIK (Mechano-chemisches Verständnis von festen Ionenleitern) kann die Entwicklung und den Einsatz dieser Batterien der nächsten Generation in einem sinnvoll großen Maßstab unterstützen.“
Prof.. Kelsey Hatzell – Außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik]
In fortschrittliche Batterietechnologien investieren
Batterien stehen im Mittelpunkt des Trends zur Elektrifizierung, einem großen, mehrere Billionen Dollar teuren Unterfangen, dessen Ziel darin besteht, fossile Brennstoffe aus unseren Energiequellen zu entfernen.
Sie können über viele Broker in batteriebezogene Unternehmen investieren. Hier finden Sie Securities.io, unsere Empfehlungen für die besten Broker in die USA, Kanada, Australien, Großbritannien, sowie viele andere Länder.
Wenn Sie nicht an der Auswahl bestimmter Batterieunternehmen interessiert sind, können Sie sich auch Batterie-ETFs ansehen wie Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X's Lithium- und Batterietechnologie-ETF (LIT)Oder das WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, was eine stärker diversifizierte Präsenz bietet, um vom Wachstum der Batterieindustrie zu profitieren.
Festkörperbatterie-Unternehmen
QuantumScape
(QS )
Seit seiner Gründung im Jahr 2010 ist das kalifornische Startup Quantum Scape ein bedeutendes Startup im Bereich der Festkörperbatterien. Bemerkenswert ist sein früher Einstieg in das Feld und seine Unabhängigkeit von größeren Batterieherstellern, die ebenfalls auf Festkörpertechnologie setzen, wie etwa CATL (300750.SZ), Samsung oder LG Energy Solution (373220.KS).
Quelle: QuantumScape
Ein einzigartiges Merkmal der QuantumScape-Batterien, das damals als revolutionär galt, ist ihr anodenfreies Design. Es ermöglicht eine Schnellladung in ca. 15 Minuten (10-80 % bei 45 ºC) und der Separator ist nicht entflammbar und nicht brennbar.
Quelle: QuantumScape
Dies stellt QuantumScape-Batterien auch in puncto Energiedichte und Ladegeschwindigkeit in eine eigene Liga und übertreffen Marktführer wie Tesla (sowohl die eigenen Designs als auch die von CATL hergestellten) bei weitem.
Quelle: QuantumScape
Diese bemerkenswerten Leistungen wurden jedoch regelmäßig durch den Kampf um die Produktionssteigerung beeinträchtigt. Dies zwang das Unternehmen auch dazu, seinen Bargeldbestand aufzubrauchen, was zu einer Verwässerung der bisherigen Investoren und einem Rückgang der Aktienkurse führte.
Dies scheint sich zu ändern, denn die Vereinbarung mit PowerCo für 2024, die Batteriesparte des Volkswagen Konzerns, für einen Lizenzvertrag für die Entwicklung und Massenproduktion von QuantumScape-Batterien durch PowerCo.
Im Rahmen des nicht-exklusiven Lizenzvertrags kann PowerCo jährlich bis zu 40 Gigawattstunden Batterien für Elektrofahrzeuge herstellen, mit der Option auf eine Erweiterung auf 80 GWh pro Jahr.
Die plötzliche Ausweitung der QuantumScape-Produktion scheint damit verbunden zu sein Cobra, die Separatorausrüstung für Festkörperbatterien der nächsten Generation, ein Durchbruch in der Keramikherstellung.
Insgesamt soll die Produktion von Cobra im Jahr 2025 anlaufen und das erste fertige Elektrofahrzeug mit QuantumScape-Batterien soll im Jahr 2026 produziert werden.
Quelle: QuantumScape
Dies könnte einen Wendepunkt für das Unternehmen darstellen, das sich 16 Jahre nach seiner Gründung von einem vielversprechenden Startup mit interessantem geistigem Eigentum zu einem Unternehmen entwickelt hat, das durch eine Partnerschaft mit einem der größten Automobilhersteller der Welt wachsende Umsätze generiert.
In der Zwischenzeit müssen Anleger zwar immer noch mit einer gewissen Volatilität des Aktienkurses rechnen, es ist jedoch Licht am Ende des Produktentwicklungstunnels in Sicht.
Aktuelles zu QuantumScape
Studienreferenz:
1. Se Hwan Park, et al. (2025) Filamentinduziertes Versagen in Festkörperbatterien ohne Lithium-Reservoir. ACS Energie Briefe. 22. Februar 2025 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004
2. Se Hwan Park, et al. (2024). Lithiumkinetik in der porösen Ag-C-Zwischenschicht in reservoirfreien Festkörperbatterien. Fortschrittliches Energiematerial. 19. Dezember 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129
3. Stephanie Elizabeth Sandoval et al. (2025). Elektrochemomechanik von anodenfreien Festkörperbatterien. Nature Materials. 02. Januar 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z
