Harvard-Forscher haben eine Festkörperbatterie entwickelt, die sich in zehn Minuten auflädt und 30 Jahre hält, doch die vielgepriesene Technologie bleibt eine langfristige Lösung für die Energiewende.
Die Menschen setzen langsam, aber sicher auf Elektrofahrzeuge (EVs), aber das Tempo dieses Übergangs muss sich noch beschleunigen, damit die Welt ihr Netto-Null-Emissionsziel im Jahr 2050 erreichen kann. Trotz der exponentiellen Verbesserungen bei Elektrofahrzeugen zögern viele Autofahrer immer noch, damit aufzuhören hinter dem Komfort ihrer benzinbetriebenen Autos zurück. In einer Umfrage von Ipsos Mori im vergangenen Jahr wurden neben den Kosten auch Bedenken hinsichtlich fehlender Ladestationen und Batterielebensdauer als Haupthindernisse für US-Verbraucher beim Kauf eines Elektrofahrzeugs genannt. Für die Automobilhersteller ist dies zum großen Teil auf die anhaltenden Einschränkungen bei Reichweite und Langlebigkeit der etablierten Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) unter der Motorhaube von Elektrofahrzeugen zurückzuführen.
Ein Wissenschaftlerteam der Harvard University glaubt jedoch, einen wichtigen Schritt zur Lösung dieser Probleme getan zu haben. Forscher der School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben eine neue Lösung entwickelt "fester Zustand" Batterie, die in der Zeit aufgeladen werden kann, die zum Auffüllen eines Benzintanks benötigt wird, und drei- bis sechsmal mehr Ladezyklen übersteht als die typische Batterie für Elektrofahrzeuge.
Festkörperbatterien gelten seit langem als der heilige Gral für einen umfassenden Übergang zum elektrifizierten Transportwesen, und der Wettlauf um ihre Kommerzialisierung hat sich in den letzten Jahren beschleunigt. Unternehmen wie Toyota und Volkswagen entwickeln eigene Versionen, die sie bis zum Ende des Jahrzehnts in Fahrzeuge einbauen wollen. Sind Festkörperbatterien mit dem Aufschwung dieser neuesten Innovation aus Harvard endlich bereit, ihrem Hype gerecht zu werden?
Die Vorteile fester gegenüber flüssigen Elektrolyten
Heutzutage dominieren Li-Ionen-Batterien; Sie werden in allen Bereichen eingesetzt, von Mobiltelefonen und Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen. Forscher und Hersteller haben den Preis von Li-Ionen-Batterien im letzten Jahrzehnt um 90 % gesenkt und glauben, dass sie sie noch billiger machen können. Sie glauben auch, dass sie eine noch bessere Lithiumbatterie herstellen können.
Diese Batterien verwenden einen flüssigen Elektrolyten, um beim Entladen und Laden Ionen zwischen einer Kathode und einer Anode zu bewegen. Die Flüssigkeit ist jedoch brennbar und verhindert die Zugabe von Materialien, die die Lebensdauer der Batterie verlängern. Eine Lösung sehen Forscher darin, feste statt flüssige Elektrolyte zu verwenden.
Diese Festkörperbatterien versprechen gegenüber ihren flüssigkeitsbasierten Gegenstücken zahlreiche Vorteile. Sie bieten vor allem eine höhere Energiedichte; Das heißt, sie können mehr Energie pro Volumen- oder Gewichtseinheit speichern, was entweder zu einer längeren Batterielebensdauer oder zu kleineren, leichteren Batteriepaketen führt. Sie versprechen außerdem eine längere Lebensdauer; übersteht mehrere Lade-Entlade-Zyklen ohne Leistungseinbußen und erhöht dadurch die Lebensdauer der Batterie. Die Verwendung eines Festelektrolyten ermöglicht zudem ein wesentlich schnelleres Laden ohne die Gefahr einer Batterieschädigung durch einen effizienteren Ionentransport.
Festkörperbatterien können in einem größeren Temperaturbereich betrieben werden als Batterien auf Flüssigkeitsbasis, was einen besseren Einsatz bei extremen Wetterbedingungen ermöglicht. Sie gelten im Allgemeinen als sicherer, da ein fester Elektrolyt das Risiko von Kurzschlüssen und Überhitzung verringert, die bei flüssigkeitsbasierten Batterien zu Bränden oder Explosionen führen können. Schließlich kann der Festelektrolyt aus einer größeren Auswahl billigerer und umweltfreundlicherer Materialien hergestellt werden.
Insgesamt haben Festkörperbatterien das Potenzial, die Batterieindustrie zu revolutionieren, indem sie im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien eine verbesserte Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit bieten. „Aufgrund ihrer hohen Energiedichte eignen sich Festkörperbatterien eher für Elektrofahrzeuge als für [stationäre] Energiespeichersysteme und können tatsächlich einen wichtigen Beitrag zur Elektrifizierung des Schwertransports leisten“, sagt Teo Lombard, ein Energiemodellierer für Verkehr bei der Internationalen Energieagentur (IEA).
„Ein Sprung nach vorne“ im Design von Festkörperbatterien
Die SEAS-Forscher entwickelten eine briefmarkengroße Batterie im „Pouch Cell“-Design anstelle der typischen „Knopfzellen“-Variante. Der Akku behielt nach 80 Ladezyklen eine Kapazität von 6,000 % und zeigte auch bei niedrigen Temperaturen eine gute Leistung. Sie übertraf andere Festkörperbatterien, da die Forscher einen Weg fanden, sie mit einer Lithium-Metall-Anode herzustellen, die zehnmal so viel Kapazität wie die typische Graphitanode hat.
Das neue mehrschichtige Multimaterial-Design konnte das allgegenwärtige Problem von „Dendriten“ überwinden – wurzelähnlichen Strukturen, die von der Oberfläche der Anode in den Elektrolyten wachsen. Diese können die Barriere zwischen der gegenüberliegenden Kathode durchdringen, was zu einem Kurzschluss der Batterie und manchmal sogar zu einem Brand führen kann.
Die längere Lebensdauer der Batterie – das entspricht rund 30 Jahren – könnte die Kosten für Elektrofahrzeuge deutlich senken, während die Fähigkeit, die Batterie in wenigen Minuten aufzuladen, ihr eine außergewöhnliche Leistungsdichte verleiht, die sich für andere Anwendungen eignen könnte.
„Wir konnten den Akku in 5–10 Minuten für 6,000 Zyklen aufladen; Das Aufladen von Elektrofahrzeugbatterien dauert normalerweise mehrere Stunden und sie haben zwischen 1,000 und 2,000 Zyklen“, sagt Xin Li, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften am SEAS und leitender Forscher des Projekts. „Unsere Forschung zeigt auch, dass man andere Materialien als Anode verwenden könnte, etwa Silber, Magnesium oder Silizium. Es ist definitiv ein Fortschritt in Richtung einer Ausweitung der Massenproduktion von Festkörperbatterien.“
„Vom Labor in die reale Welt“
Allerdings sind nicht alle davon überzeugt. „Die aktuelle Herausforderung bei Festkörperbatterien liegt in der Implementierung und Skalierung, anstatt etwas noch Besseres auf Zellebene zu erreichen“, sagt Lombard.
Aus technischer Sicht besteht eine Herausforderung, die die Branche noch bewältigen muss, darin, einen Festkörperbatteriesatz herzustellen, der extrem hohem Druck standhält und gleichzeitig „atmen“ kann – sich ausdehnen und zusammenziehen kann. „Die Lösung dieses Problems könnte die Energiedichtegewinne von Festkörperbatterien zunichte machen, das ist also wirklich eine Frage, die die Industrie in den kommenden Jahren durch den Scale-up-Prozess beantworten muss“, sagt Lombard.
Aus sicherheitstechnischer Sicht besteht ein weiteres Problem, das die Hersteller von Festkörperbatterien überwinden müssen, darin, dass selbst wenn eine Festkörperbatterie bei einem Kurzschluss nicht in Brand gerät, dies bei anderen Materialien im Motor der Fall sein könnte. „Auch dies ist eine technische Herausforderung, die auf industrieller Ebene getestet und verifiziert werden muss“, sagt Lombard.
Schließlich gibt es noch die erhebliche Hürde beim Aufbau einer Lieferkette für Festkörperbatterien. Laut Lombard erfordern Batterielieferketten hochwertige Materialien in sehr großen Mengen, da eine Batterie nicht einmal mit einer winzigen Menge an Verunreinigungen funktioniert. „Der Aufbau dauert lange“, sagt er. „Das liegt auch daran, dass der breitere Batteriebereich exponentiell wächst, sodass Festkörperbatterien nicht in einen festen Markt vordringen, sondern vielmehr in einen, in dem sich jede Technologie – einschließlich der traditionellen Lithium-Ionen-Batterie – wahnsinnig schnell verbessert und man davon profitieren muss.“ Platz darin.“
Für Lombard wird der Erfolg von Festkörperbatterien nicht durch neue akademische Durchbrüche erreicht – „so wichtig diese Studie auch ist“, gibt er zu bedenken –, sondern eher durch die Art und Weise, wie die Industrie die verbleibenden technischen Herausforderungen lösen und die damit verbundene Lieferkette entwickeln wird.
„Festkörperbatterien haben großes Potenzial, aber wie die Industrie diese [technischen] Herausforderungen löst, wird darüber entscheiden, ob sie den Markt für Elektrofahrzeugbatterien erobern oder ob sie eine Nischenanwendung für Pkw und Lkw für sehr lange Strecken bleiben“, sagt er.
Laut einer aktuellen Studie von Focus, einer KI-Analyseplattform, die technologische Durchbrüche auf der Grundlage globaler Patentdaten vorhersagt, verbessert sich die Festkörperbatterietechnologie im Jahresvergleich um 31 %. Das ist zwar beeindruckend, reicht aber derzeit nicht aus, um die etablierten Unternehmen aus dem Gleichgewicht zu bringen – Li-Ionen-Batterien verbessern sich um ähnliche 30.5 %.
Die IEA hat prognostiziert, dass Festkörperbatterien eine wichtige Rolle beim Übergang zu Netto-Null-Emissionen spielen werden, insbesondere bei der Dekarbonisierung des Schwertransports durch Anwendungen wie Elektro-Lkw. „Aber es ist wichtig, dass wir die Branche weder über- noch unterschätzen“, sagt Lombard. Wenn es den Festkörperbatterien gelingt, ihr Potenzial auszuschöpfen, wird dies irgendwann in den 2030er Jahren der Fall sein, prognostiziert er. „Im Moment müssen sie wirklich vom Labor in die reale Welt gebracht werden.“
Li glaubt seinerseits, dass es etwa 2030 dauern wird, bis Solid-State-Technologie zum Mainstream wird. „Bis dahin müssen noch viele technische Hürden überwunden werden“, sagt er. „Die [jüngsten] Durchbrüche bringen das Datum 2030 nicht unbedingt vor, sie machen es möglich.“
Quelle aus Nur Auto
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