Das Rätsel um Festkörperbatterien gelöst: Ursachen für Scheitern und Zukunftsaussichten
In einem bedeutenden Fortschritt haben Wissenschaftler die Ursache identifiziert, warum Festkörperbatterien seit vielen Jahren nicht kommerzialisiert werden konnten. Zwei unabhängige Studien haben die physikalischen Prozesse identifiziert, die für Kurzschlüsse verantwortlich sind, und dies zu einem klaren technischen Problem in der Batteriebranche gemacht.
Ursachen für das Scheitern von Festkörperbatterien
Viele Jahre lang waren Ingenieure über das Scheitern von Festkörperbatterien im Bilde, konnten jedoch keine spezifischen Gründe dafür nennen. Die Batterien wiesen häufig interne Kurzschlüsse auf, die durch winzige Lithiumstrukturen innerhalb der Zelle verursacht wurden, die schließlich die Barriere zwischen den positiven und negativen Polen durchbrachen. Obwohl es den Forschern gelang, dieses Phänomen nach seinem Auftreten zu beobachten, konnten sie nicht erklären, warum diese Strukturen entstanden oder wie sie durch das speziell entwickelte Material hindurchbrechen konnten.
Neue Forschungsergebnisse
Zwei unabhängige Forschungsgruppen haben Antworten auf diese Fragen geliefert. In einem in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel entdeckten Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialien in Deutschland, dass Lithiumablagerungen während des Ladevorgangs zu hohem Innendruck führen, was zu Rissen im Festkörperelektrolyt von innen nach außen führt.
Eine weitere Studie vom MIT und der Technischen Universität München, in Zusammenarbeit mit anderen Organisationen, die in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, ergab, dass kleine elektrische Ungleichgewichte im Elektrolyt die Bedingungen für das unerwünschte Wachstum von Lithiumstrukturen schaffen.
Auswirkungen auf die Industrie
Diese Erkenntnisse könnten einen großen wissenschaftlichen Zweifel ausräumen, genau zu dem Zeitpunkt, in dem Automobilhersteller und Batteriehersteller Milliarden Dollar investieren, um Festkörperbatterien in die kommerzielle Produktion zu bringen. Festkörperbatterien gelten als der nächste große Schritt in der Batterietechnologie und versprechen eine längere Reichweite, schnellere Ladezeiten, höhere Sicherheit und eine höhere Energiedichte im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Batterien.
| Eigenschaft | Lithium-Ionen-Batterie | Festkörperbatterie |
|---|---|---|
| Energiedichte | Hoch | Noch höher |
| Ladezeit | Mittel | Schneller |
| Überhitzungsrisiko | Hoch | Niedrig |
| Anwendungsbereich | Elektroautos, Elektronikgeräte | Elektroautos, Luftfahrt, großmaßstäbige Energiespeicherung |
Investitionen und technologische Entwicklung
Die Automobilindustrie betrachtet Festkörperbatterien als nicht machbar. Stattdessen sehen die Hersteller darin technische Probleme, die in Zukunft gelöst werden können. Der Lohn für diese Technologie ist zu groß, um ignoriert zu werden, da Festkörperbatterien eine überlegene Leistung im Vergleich zu aktuellen Lithium-Ionen-Batterien versprechen.
Viele Hersteller haben Milliarden Dollar in die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien investiert. Honda hat eine Pilotproduktionslinie aufgebaut, um die für die Massenproduktion notwendige Technologie zu entwickeln. Toyota zielt darauf ab, die Technologie in diesem Jahrzehnt einzuführen, während Unternehmen wie Mercedes-Benz, BMW, Stellantis, Hyundai, Samsung SDI, CATL, QuantumScape, Solid Power und Factorial Energy ihre Pilotproduktionen und Testprogramme erweitert haben.
Produktionsfortschritte
Honda hat etwa 280 Millionen Dollar in eine Festkörperbatterie-Produktionslinie in Sakura, Japan, investiert. Die Anlage reproduziert den gesamten Produktionsprozess, vom Mischen und Beschichten der Elektrodenmaterialien bis zur Zellenbildung und Montage der Module. Die Batterieproduktion soll im Januar 2025 beginnen, wobei Honda die Produktionskosten, Zellenparameter und Methoden für die Massenproduktion testen wird.
Mercedes-Benz hat Festkörperbatterien auf öffentlichen Straßen getestet. Das Unternehmen hat eine modifizierte Version des EQS mit von Factorial Energy gelieferten Lithium-Metallzellen vorgestellt, die dem Auto eine Reichweite von 1.205 Kilometer bei einer einzigen Ladung ermöglicht.
Zukunftsaussichten
Die Geheimnisse um Festkörperbatterien wurden durch ein spezifisches Designproblem ersetzt. Die Forscher wissen nun, dass die Verhinderung von Rissen im Elektrolyt und die Kontrolle der lokalen Stromdichte entscheiden werden, ob Festkörperbatterien viele Ladezyklen überstehen können. Die kommerzielle Einführung von Festkörperbatterien ist jedoch nicht sicher. Die Hersteller müssen nachweisen, dass Festkörperbatterien konsistent im Automobilmaßstab hergestellt werden können, Tausende von Ladezyklen überstehen und wettbewerbsfähige Kosten im Vergleich zu aktuellen Lithium-Ionen-Batterien erreichen.
Mit diesen Fortschritten plant Toyota, seine erste Festkörperbatterie zwischen 2027 und 2028 einzuführen, während Honda auf die zweite Hälfte des Jahrzehnts abzielt. Mercedes-Benz, BMW und viele Batteriehersteller haben bereits Tests auf öffentlichen Straßen begonnen. Der industrielle Wettlauf rückt näher.
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