Festkörperbatterie: Die Zukunft der Elektrofahrzeuge

Derzeit bleibt die Sorge um die Reichweite das größte Hindernis für den vollständigen weltweiten Ersatz von Benzinautos durch Fahrzeuge mit neuer Energie. Obwohl viele Autohersteller, wie Tesla mit ihrem Supercharger V4 und Xpeng mit ihrem Supercharger S4, Schnellladetechnologien eingeführt haben, sind diese Ladestationen nicht nur teuer, sondern auch nicht flächendeckend verfügbar. Um Reichweitenprobleme wirklich anzugehen, können nur Batterien mit hoher Energiedichte eine Lösung bieten.

Angesichts der jüngsten Entwicklungen haben sich China, Japan, Südkorea und Europa in den letzten Jahren alle auf die Entwicklung von Festkörpersystemen konzentriertBatterien mit höherer Energiedichte. Basierend auf der Wahl des Elektrolyten haben diese Regionen drei unterschiedliche technologische Wege eingeschlagen:

• Europa: Schwerpunkt liegt auf Polymeren (mit einer Leitfähigkeit von etwa 10-7-10-5S/cm) als Elektrolyt für Festkörperbatterien. Allerdings bieten europäische Festkörperbatterien aus Massenproduktion aufgrund der geringen Leitfähigkeit von Polymeren eine geringere Reichweite als flüssige Lithium batterien gleicher Kapazität.
• Japan und Südkorea: Der Schwerpunkt liegt auf Sulfiden (mit einer Leitfähigkeit von etwa 10-3-10-2S/cm) als Elektrolyt. Obwohl dieses Material eine ideale Leitfähigkeit aufweist, haben sein komplexer Herstellungsprozess und die Einbeziehung seltener Metalle seine Kommerzialisierung behindert.
• China: Als Elektrolyt werden vorwiegend Oxide (mit einer Leitfähigkeit von etwa 10-6-10-3S/cm) verwendet. Aufgrund der Steifheit und hohen Porosität des Materials, die den reibungslosen Ionenfluss behindern können, erfordert die aktuelle Technologie die Einbeziehung eines Elektrolyten, wodurch eine halbfeste Batterie entsteht. Dadurch verringert sich jedoch die Energiedichte der Batterie. Obwohl diese halbfesten Batterien aus Oxiden von Unternehmen wie NIO und Dongfeng in High-End-Modelle integriert wurden, war ihre Kosteneffizienz nicht überzeugend genug, um eine Massenproduktion zu rechtfertigen.

Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie in China haben kürzlich Lithiumzirkoniumoxychlorid entwickelt, indem sie diese gängigen Technologiepfade verlassen. In Bezug auf Ionenleitfähigkeit, Verformbarkeit und Kosten übertrifft dieses Material sowohl Oxide als auch Sulfide. Das Aufkommen von Lithiumzirkoniumoxychlorid könnte der Industrie eine innovative, sofort einsatzbereite Lösung bieten.

Europäische Pioniere: Der Einstieg der Bolloré Group in die Festkörperbatterietechnologie

Um die Forschung zu Festkörperbatterien voranzutreiben, setzen europäische Unternehmen im Bereich saubere Energie vor allem Polymere als Elektrolyt ein. Ein bemerkenswerter Akteur in diesem Bereich ist die französische Bolloré-Gruppe. Im Jahr 2011 stellte die Bolloré Group als weltweit erster Betreiber, der Festkörperbatterien in einem Elektrofahrzeugprojekt einsetzte, ihr selbst entwickeltes Elektrofahrzeug Bluecar vor. Dieses Fahrzeug war mit einer 30-kWh-Metall-Lithium-Polymer-Festkörperbatterie der Tochtergesellschaft Batscap ausgestattet und verfügt über eine Reichweite von 120 km.

Hervorzuheben ist jedoch, dass die Metall-Lithium-Polymer-Festkörperbatterie der Bolloré-Gruppe mit einer Kapazität von 30 kWh nur eine Reichweite von 120 km schaffte. Im Gegensatz dazu kann Teslas Model 3, ausgestattet mit einer 60-kWh-Flüssigkeitsbatterie, eine Reichweite von über 400 km erreichen. Rein rechnerisch kann ein Tesla-Modell, das mit einer 30-kWh-Flüssigkeitsbatterie ausgestattet ist, eine Reichweite von mehr als 200 km erreichen und übertrifft damit das Bolloré Bluecar deutlich.

Der Hauptgrund für die deutlich geringere Reichweite von Bluecar im Vergleich zu Tesla, selbst wenn es mit Batterien gleicher Kapazität ausgestattet ist, ist die geringe Leitfähigkeit von Festkörperbatterien, die Polymere als Elektrolyt verwenden. Diese Einschränkung verdeutlicht auch, warum eine flächendeckende Einführung trotz der Tatsache, dass es sich in Europa um die ersten Festkörperbatterien in Massenproduktion handelte, noch ausbleibt. Angesichts dieses Engpasses haben andere große europäische Unternehmen für saubere Energie nach alternativen Strategien gesucht: Partnerschaften mit führenden globalen Festkörperbatterieunternehmen, um sich einen Wettbewerbsvorteil im zukünftigen Automobilbatteriesektor zu sichern.

Beispielsweise investierte Volkswagen stark in das in den USA börsennotierte Festkörperbatterieunternehmen QuantumScape. Ende 2014 hielt Volkswagen bereits 5 % der QS-Aktien. In den Jahren 2018 und 2020 tätigte der Volkswagen-Konzern zwei getrennte Investitionen in QS, investierte jeweils 300 Millionen US-Dollar und wurde damit zum größten Anteilseigner des Unternehmens.

In diesem Zusammenhang gründeten beide Unternehmen auch ein Joint Venture mit dem Ziel, bis 2025 eine Produktionslinie für Festkörperbatterien zu bauen. Mit erheblicher finanzieller Unterstützung hat sich die Technologie von QuantumScape kontinuierlich weiterentwickelt. Beispielsweise konnten frühere einschichtige QS-Batterien bei Raumtemperatur und -druck nach 1.000 Ladezyklen bei einer Rate von 1 °C 90 % ihres ursprünglichen Energiespeichers aufrechterhalten. Unter den gleichen Bedingungen können ihre mehrschichtigen Batterien nach 800 Zyklen immer noch 90 % ihres Energiespeichers behalten.

Bisher hat QS jedoch keine Massenproduktion von Batterien auf den Markt gebracht, während die Festkörperbatterien der Wettbewerber nach und nach in die Massenproduktion gehen, was den Druck auf QS erhöht. Obwohl Europa das erste Land war, das Festkörperbatterien kommerzialisierte, haben die geringe Leitfähigkeit von Polymeren und Unsicherheiten hinsichtlich der wirtschaftlichen Rentabilität der in sie investierten Unternehmen deren Fortschritt im Bereich der Festkörperbatterien verlangsamt.

Japanische Giganten sind führend bei Patenten für Festkörperbatterien auf Sulfidbasis

Sulfide, die einst als die vielversprechendsten Elektrolyte in Festkörperbatterien galten, besitzen mehrere Vorteile wie hohe Leitfähigkeit und Formbarkeit. Allerdings ist der technologische Ansatz, Sulfide als Elektrolyte zu verwenden, mit einem aufwändigeren Produktionsprozess verbunden. Beispielsweise können Sulfide während des Herstellungsprozesses mit Wasser und Sauerstoff in der Luft reagieren und dabei das hochgiftige Schwefelwasserstoffgas erzeugen. Um dieses Problem anzugehen, ist eine Verfeinerung des Produktionsprozesses erforderlich, was wiederum die Kosten erhöht.

Um im Energiewettlauf einen Vorsprung zu gewinnen, haben japanische und koreanische Unternehmen für saubere Energie eine deutliche Vorliebe für die Verwendung von Sulfiden als Elektrolyten in ihren Festkörperbatterien gezeigt. Diese Komplexität der technologischen Verfahren hat diese Unternehmen dazu gezwungen, ihre Forschung im Bereich der Festkörperbatterien zu intensivieren, was dazu geführt hat, dass sie ein bedeutendes Portfolio an technischen Patenten aufgebaut haben.

Nach Angaben von Nikkei Chinese Web in Zusammenarbeit mit dem Patentforschungsunternehmen Patent Result waren Toyota mit 1.331 Patenten von 2000 bis Ende März 2022 die führenden Energiebatterieunternehmen in Bezug auf öffentlich bekannt gegebene Festkörperbatteriepatente; gefolgt von Panasonic Holdings mit 445 Patenten; und Showa Shell Sekiyu belegt mit 272 Patenten den dritten Platz. Alle drei japanischen Unternehmen konzentrieren ihre Forschung und Entwicklung auf Festkörperbatterien auf Sulfidbasis, wobei Toyota am weitesten fortgeschritten ist. Bereits am 22. Juni 2017 hatte Toyota ein US-Patent für eine Feststoffbatterie mit Sulfiden als Elektrolyt angemeldet.

Kürzlich gab Toyota gegenüber den Medien bekannt, dass das Unternehmen eine Festkörperbatterie mit einer Reichweite von 1.200 Kilometern entwickelt hat, die in nur 10 Minuten aufgeladen werden kann, und plant, bis 2025 mit diesen Batterien ausgestattete Fahrzeuge auf den Markt zu bringen. Trotz Toyotas Ehrgeiz zur Massenproduktion -Fahrzeuge herzustellen, die mit Festkörperbatterien ausgestattet sind und Sulfide als Elektrolyt verwenden, könnte die technische Komplexität gepaart mit den hohen Kosten aufgrund der Verwendung zahlreicher seltener Metalle einer groß angelegten Einführung im Wege stehen.

Derzeit liegt der weltweite Durchschnittspreis für den Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien nicht über 10 $/kg. Im Gegensatz dazu liegt das Primärmaterial für den Sulfid-Festelektrolyten, Li2S, zwischen 1.500 und 2.000 US-Dollar/kg. Das bedeutet, dass der Sulfid-Elektrolyt mehr als 150-mal teurer ist als der Elektrolyt, der in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

Chinesische Entwicklung von Festkörperbatterien: Oxidelektrolyte sind führend

Inländische Unternehmen nutzen analog zu den europäischen Trends vor allem Oxide als Elektrolyt, um die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien voranzutreiben. Unvollständigen Daten zufolge begannen mehrere chinesische Autohersteller nach 2022, Halbfestkörperbatterien in ihre Modelle einzubauen. Insbesondere Modelle wie der ES6 von NIO, der E70 von Dongfeng und der Zhui Feng von Lantu verfügen überwiegend über Batterien mit Elektrolyten auf Oxidbasis.

Dennoch weisen Festkörperbatterien, die Oxide als Elektrolyte verwenden, eine intrinsische Härte auf. Da Oxidpartikel in punktförmiger Kontaktform vorliegen, weisen die resultierenden Festkörperbatterien nicht nur eine schlechte Formbarkeit auf, sondern weisen auch eine hohe Porosität auf. Diese starre Textur kann zu Elektrolytbrüchen führen und die Ionenübertragung stören. Die hohe Porosität kann die Wege für den Ionentransfer innerhalb des Batteriesystems behindern. Um sicherzustellen, dass die Aktivmaterialpartikel auch bei Rissen oder Brüchen einen optimalen Kontakt und eine optimale Ionenübertragung gewährleisten, eignen sich daher Festkörperbatterien mit Oxidelektrolyten natürlich für ein Fest-Flüssigkeits-Hybridformat. Dieses Hybriddesign integriert sowohl die Festoxidelektrolytschicht als auch einen flüssigen Elektrolyten, der die Poren füllt, und umgeht so die oben genannten Probleme effektiv.

Festkörperbatterien, die Flüssigkeiten enthalten, profitieren jedoch aufgrund ihres geringeren Festelektrolytgehalts nicht von der gleichen Steigerung der Energiedichte wie Vollfeststoffbatterien. Beispielsweise hat die Semi-Solid-State-Batterie im ES6 eine Energiedichte von 360 Wh/kg. Obwohl chinesische Halbfestkörperbatterien kommerzialisiert wurden, könnten sie aufgrund ihrer geringfügigen Steigerung der Energiedichte, ihrer geringeren Leitfähigkeit als flüssiges Lithium und der erhöhten Kosten für Oxidelektrolyte zu Übergangsprodukten in der Batterieentwicklung werden.

Der jüngste Durchbruch der University of Science and Technology of China verlagert unseren Fokus und präsentiert einen neuartigen Festkörperelektrolyten – Lithiumzirkoniumoxychlorid. Dieser innovative Elektrolyt weist eine vergleichbare Leistung wie die fortschrittlichsten Sulfid- und Oxid-Festkörperelektrolyte auf, kostet jedoch nur 4 % der Kosten. Dies ist unbestreitbar eine bahnbrechende Entwicklung im chinesischen Festkörperbatteriesektor.

Diese Einführung von Lithiumzirkoniumoxychlorid bedeutet gleichzeitige Durchbrüche in den Leistungs- und Kostenaspekten von Festkörperelektrolyten. Allerdings befindet sich diese Technologie derzeit noch in der Laborphase. Ob es in großem Maßstab hergestellt werden kann, bleibt eine erhebliche Unsicherheit. Unabhängig davon hat die Entdeckung von Lithiumzirkoniumoxychlorid tiefgreifende Auswirkungen auf die Kommerzialisierung von Festkörper-Lithium batterien.

Im vorliegenden Szenario weisen die drei gängigen Elektrolyte für Festkörperbatterien – Polymere, Oxide und Sulfide – alle inhärente Mängel auf, für die keine unmittelbaren Lösungen in Sicht sind. Dies hat dazu geführt, dass die derzeitige Produktion von Festkörperbatterien in kleinem Maßstab für die Fahrzeugintegration nicht so kosteneffektiv ist wie ihre flüssigen Gegenstücke. Das kürzlich von chinesischen Forschern entwickelte Lithium-Zirkonium-Oxychlorid könnte jedoch nur ein Hoffnungsschimmer sein, der möglicherweise die Festkörperbatterieindustrie revolutioniert und die mit neuen Energiebatterien verbundenen Reichweitenangst angeht.