- \n
- Europa: Der Schwerpunkt liegt auf Polymeren (mit einer Leitf\u00e4higkeit von etwa 10-7-10-5S\/cm) als Elektrolyt f\u00fcr Festk\u00f6rperbatterien. Aufgrund der geringen Leitf\u00e4higkeit von Polymeren bieten in Europa in Massenproduktion hergestellte Festk\u00f6rperbatterien jedoch eine geringere Reichweite als Fl\u00fcssiglithiumbatterien gleicher Kapazit\u00e4t.<\/li>\n
- Japan und S\u00fcdkorea: Ihr Schwerpunkt liegt auf Sulfiden (mit einer Leitf\u00e4higkeit von etwa 10-3-10-2S\/cm) als Elektrolyt. Dieses Material weist zwar eine ideale Leitf\u00e4higkeit auf, doch der komplexe Herstellungsprozess und der Einsatz seltener Metalle behindern seine Kommerzialisierung.<\/li>\n
- China: Als Elektrolyt werden \u00fcberwiegend Oxide (mit einer Leitf\u00e4higkeit von etwa 10-6-10-3S\/cm) verwendet. Aufgrund der Steifigkeit und hohen Porosit\u00e4t des Materials, die den Ionenfluss behindern k\u00f6nnen, erfordert die aktuelle Technologie die Zugabe eines Elektrolyten, wodurch eine halbfeste Batterie entsteht. Dies reduziert 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 ausreichend, um eine Massenproduktion zu rechtfertigen.<\/li>\n<\/ul>\n
Forscher der University of Science and Technology of China haben k\u00fcrzlich Lithium-Zirkonium-Oxychlorid entwickelt, das diese g\u00e4ngigen technologischen Ans\u00e4tze abseits der etablierten Technologien beschreitet. In puncto Ionenleitf\u00e4higkeit, Verformbarkeit und Kosten \u00fcbertrifft dieses Material sowohl Oxide als auch Sulfide. Die Einf\u00fchrung von Lithium-Zirkonium-Oxychlorid k\u00f6nnte der Industrie eine innovative, sofort einsatzbereite L\u00f6sung bieten.<\/p>\n
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<\/p>\nEurop\u00e4ische Pioniere: Bollor\u00e9 Group steigt in die Festk\u00f6rperbatterietechnologie ein<\/h2>\n
Europ\u00e4ische Unternehmen f\u00fcr saubere Energie setzen vor allem Polymere als Elektrolyt ein, um die Forschung an Festk\u00f6rperbatterien voranzutreiben. Ein wichtiger Akteur in diesem Bereich ist die franz\u00f6sische Bollor\u00e9-Gruppe. Als weltweit erster Betreiber von Elektrofahrzeugen, der Festk\u00f6rperbatterien in einem Projekt einsetzte, stellte die Bollor\u00e9-Gruppe 2011 ihr selbst entwickeltes Elektrofahrzeug Bluecar vor. Dieses Fahrzeug war mit einer 30-kWh-Metall-Lithium-Polymer-Festk\u00f6rperbatterie der Tochtergesellschaft Batscap ausgestattet und erreichte eine Reichweite von 120 km.<\/p>\n
Es ist jedoch hervorzuheben, dass die Metall-Lithium-Polymer-Festk\u00f6rperbatterie der Bollor\u00e9-Gruppe mit einer Kapazit\u00e4t von 30 kWh nur eine Reichweite von 120 km erreichte. Im Gegensatz dazu erreicht das mit einer 60-kWh-Fl\u00fcssigbatterie ausgestattete Tesla Model 3 eine Reichweite von \u00fcber 400 km. Ein Tesla-Modell mit einer 30-kWh-Fl\u00fcssigbatterie kann rechnerisch eine Reichweite von \u00fcber 200 km erreichen und \u00fcbertrifft damit den Bollor\u00e9 Bluecar deutlich.<\/p>\n
Der Hauptgrund f\u00fcr die deutlich geringere Reichweite von Bluecar im Vergleich zu Tesla, selbst bei gleicher Kapazit\u00e4t, ist die geringe Leitf\u00e4higkeit von Festk\u00f6rperbatterien mit Polymeren als Elektrolyt. Diese Einschr\u00e4nkung unterstreicht auch, warum trotz der Massenproduktion von Festk\u00f6rperbatterien in Europa eine breite Akzeptanz bisher nicht erreicht wurde. Angesichts dieses Engpasses suchen andere gro\u00dfe europ\u00e4ische Unternehmen f\u00fcr erneuerbare Energien nach alternativen Strategien: Sie kooperieren mit f\u00fchrenden globalen Festk\u00f6rperbatterieherstellern, um im zuk\u00fcnftigen Automobilbatteriesektor wettbewerbsf\u00e4hig zu bleiben.<\/p>\n
Volkswagen investierte beispielsweise massiv in das in den USA b\u00f6rsennotierte Feststoffbatterieunternehmen QuantumScape. Ende 2014 hielt Volkswagen bereits 51 TP3B an QS-Aktien. In den Jahren 2018 und 2020 t\u00e4tigte der Volkswagen-Konzern zwei separate Investitionen in QS und investierte jeweils 1 TP4B300 Millionen, wodurch er zum gr\u00f6\u00dften Anteilseigner des Unternehmens wurde.<\/p>\n
In diesem Zusammenhang gr\u00fcndeten beide Unternehmen ein Joint Venture mit dem Ziel, bis 2025 eine Produktionslinie f\u00fcr Festk\u00f6rperbatterien aufzubauen. Dank erheblicher finanzieller Unterst\u00fctzung hat sich die Technologie von QuantumScape kontinuierlich weiterentwickelt. So konnten beispielsweise fr\u00fchere QS-Einschichtbatterien bei Raumtemperatur und -druck nach 1.000 Ladezyklen mit einer Laderate von 1C noch 901 TP3T ihrer urspr\u00fcnglichen Energiespeicherkapazit\u00e4t behalten. Unter denselben Bedingungen k\u00f6nnen ihre Mehrschichtbatterien nun auch nach 800 Zyklen noch 901 TP3T ihrer urspr\u00fcnglichen Energiespeicherkapazit\u00e4t behalten.<\/p>\n
QS hat jedoch bisher keine Batterien in Massenproduktion auf den Markt gebracht, w\u00e4hrend die Festk\u00f6rperbatterien der Konkurrenz allm\u00e4hlich in die Massenproduktion gehen und den Druck auf QS erh\u00f6hen. Obwohl Europa als erstes Land Festk\u00f6rperbatterien kommerziell eingef\u00fchrt hat, bremsen die geringe Leitf\u00e4higkeit von Polymeren und die Unsicherheiten hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der beteiligten Unternehmen den Fortschritt im Bereich der Festk\u00f6rperbatterien.<\/p>\n
Japanische Giganten f\u00fchrend bei Patenten f\u00fcr sulfidbasierte Festk\u00f6rperbatterien<\/h2>\n
Sulfide galten einst als vielversprechendste Elektrolyte f\u00fcr Festk\u00f6rperbatterien und bieten zahlreiche Vorteile wie hohe Leitf\u00e4higkeit und Formbarkeit. Der technologische Ansatz, Sulfide als Elektrolyte zu verwenden, ist jedoch mit einem komplexeren Produktionsprozess verbunden. So k\u00f6nnen Sulfide w\u00e4hrend des Herstellungsprozesses mit Wasser und Luftsauerstoff reagieren und hochgiftiges Schwefelwasserstoffgas bilden. Um dieses Problem zu l\u00f6sen, muss der Produktionsprozess verfeinert werden, was wiederum die Kosten erh\u00f6ht.<\/p>\n
Um im Energiewettlauf die Nase vorn zu haben, bevorzugen japanische und koreanische Unternehmen f\u00fcr saubere Energien Sulfide als Elektrolyt in ihren Feststoffbatterien. Die Komplexit\u00e4t der technologischen Verfahren veranlasste diese Unternehmen, ihre Forschung im Bereich Feststoffbatterien zu intensivieren und ein umfangreiches Portfolio an technischen Patenten anzuh\u00e4ufen.<\/p>\n
Laut Daten, die Nikkei Chinese Web in Zusammenarbeit mit dem Patentforschungsunternehmen Patent Result ver\u00f6ffentlicht hat, waren zwischen 2000 und Ende M\u00e4rz 2022 Toyota mit 1.331 Patenten die f\u00fchrenden Batteriehersteller hinsichtlich der \u00f6ffentlich bekannt gegebenen Patente f\u00fcr Feststoffbatterien, gefolgt von Panasonic Holdings mit 445 Patenten und Showa Shell Sekiyu auf Platz 3 mit 272 Patenten. Alle drei japanischen Unternehmen konzentrieren ihre Forschung und Entwicklung auf Feststoffbatterien auf Sulfidbasis, wobei Toyota am weitesten fortgeschritten ist. Bereits am 22. Juni 2017 hatte Toyota ein US-Patent f\u00fcr eine Feststoffbatterie mit Sulfiden als Elektrolyt angemeldet.<\/p>\n
Toyota gab k\u00fcrzlich den Medien bekannt, dass das Unternehmen eine Feststoffbatterie entwickelt habe, die eine Reichweite von 1.200 Kilometern habe und in nur 10 Minuten aufgeladen werden k\u00f6nne. Bis 2025 sollen damit ausgestattete Fahrzeuge auf den Markt kommen. Trotz Toyotas Ambitionen, mit Feststoffbatterien ausgestattete Fahrzeuge mit Sulfiden als Elektrolyt in Serie zu produzieren, k\u00f6nnten die technische Komplexit\u00e4t und die hohen Kosten, die durch die Verwendung zahlreicher seltener Metalle entstehen, einer breiten Einf\u00fchrung im Wege stehen.<\/p>\n
Derzeit liegt der weltweite Durchschnittspreis f\u00fcr den Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien unter 1 TP4T10\/kg. Im Gegensatz dazu liegt der Preis f\u00fcr das Prim\u00e4rmaterial des Sulfid-Festelektrolyten Li2S zwischen 1.500 und 1.000 TP4T\/kg. Das bedeutet, dass der Sulfidelektrolyt \u00fcber 150-mal so teuer ist wie der in Lithium-Ionen-Batterien verwendete Elektrolyt.<\/p>\n
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<\/p>\nChinesische Feststoffbatterieentwicklung: Oxidelektrolyte weisen den Weg<\/h2>\n
Inl\u00e4ndische Unternehmen nutzen, analog zu europ\u00e4ischen Trends, vor allem Oxide als Elektrolyt, um die Forschung und Entwicklung von Festk\u00f6rperbatterien voranzutreiben. Unvollst\u00e4ndigen Daten zufolge begannen mehrere chinesische Automobilhersteller nach 2022 damit, Halbfestk\u00f6rperbatterien in ihre Modelle einzubauen. Insbesondere Modelle wie der ES6 von NIO, der E70 von Dongfeng und der Zhui Feng von Lantu verf\u00fcgen \u00fcberwiegend \u00fcber Batterien mit oxidbasierten Elektrolyten.<\/p>\n
Dennoch weisen Feststoffbatterien mit Oxiden als Elektrolyt eine intrinsische H\u00e4rte auf. Da die Oxidpartikel in Punktkontaktform vorliegen, sind die resultierenden Feststoffbatterien nicht nur schlecht formbar, sondern weisen auch eine hohe Porosit\u00e4t auf. Diese starre Struktur kann Elektrolytbr\u00fcche verursachen und so die Ionen\u00fcbertragung st\u00f6ren. Die hohe Porosit\u00e4t kann den Ionentransfer innerhalb des Batteriesystems behindern. Um sicherzustellen, dass die aktiven Materialpartikel auch bei Rissen oder Br\u00fcchen optimalen Kontakt und Ionentransport aufrechterhalten, eignen sich Feststoffbatterien mit Oxidelektrolyten daher ideal f\u00fcr ein Fest-Fl\u00fcssig-Hybridformat. Dieses Hybriddesign integriert sowohl die feste Oxidelektrolytschicht als auch einen fl\u00fcssigen Elektrolyten, der die Poren f\u00fcllt, und umgeht so die oben genannten Probleme effektiv.<\/p>\n
Allerdings weisen Feststoffbatterien mit Fl\u00fcssigkeiten aufgrund ihres geringeren Feststoffelektrolytgehalts nicht die gleiche h\u00f6here Energiedichte auf wie Feststoffbatterien. Beispielsweise hat die Halbfeststoffbatterie im ES6 eine Energiedichte von 360 Wh\/kg. Obwohl chinesische Halbfeststoffbatterien kommerziell erh\u00e4ltlich sind, k\u00f6nnten sie aufgrund ihrer geringen h\u00f6heren Energiedichte, ihrer geringeren Leitf\u00e4higkeit als fl\u00fcssiges Lithium und der h\u00f6heren Kosten f\u00fcr Oxidelektrolyte zu \u00dcbergangsprodukten in der Batterieentwicklung werden.<\/p>\n
Um unseren Fokus zu verschieben: Der j\u00fcngste Durchbruch an der University of Science and Technology of China pr\u00e4sentiert einen neuartigen Festk\u00f6rperelektrolyten \u2013 Lithium-Zirkonium-Oxychlorid. Dieser innovative Elektrolyt weist eine vergleichbare Leistung wie die modernsten Sulfid- und Oxid-Festk\u00f6rperelektrolyte auf, kostet aber nur 41 TP3T weniger. Dies ist zweifellos eine bahnbrechende Entwicklung im chinesischen Festk\u00f6rperbatteriesektor.<\/p>\n
Die Einf\u00fchrung von Lithium-Zirkonium-Oxychlorid markiert gleichzeitige Durchbr\u00fcche in der Leistungsf\u00e4higkeit und den Kosten von Festk\u00f6rperelektrolyten. Diese Technologie befindet sich jedoch derzeit noch in der Laborphase. Ob sie in gro\u00dfem Ma\u00dfstab produziert werden kann, ist weiterhin ungewiss. Ungeachtet dessen hat die Entdeckung von Lithium-Zirkonium-Oxychlorid weitreichende Auswirkungen auf die Kommerzialisierung von Festk\u00f6rper-Lithiumbatterien.<\/p>\n
Derzeit weisen die drei g\u00e4ngigen Elektrolyte f\u00fcr Festk\u00f6rperbatterien \u2013 Polymere, Oxide und Sulfide \u2013 alle inh\u00e4rente M\u00e4ngel auf, f\u00fcr die keine unmittelbaren L\u00f6sungen in Sicht sind. Dies hat dazu gef\u00fchrt, dass die derzeitige Kleinserienproduktion von Festk\u00f6rperbatterien f\u00fcr die Fahrzeugintegration nicht so kosteneffizient ist wie die ihrer fl\u00fcssigen Pendants. Das k\u00fcrzlich von chinesischen Forschern entwickelte Lithium-Zirkonium-Oxychlorid k\u00f6nnte jedoch einen Hoffnungsschimmer darstellen und die Festk\u00f6rperbatterieindustrie revolutionieren und die mit Batterien f\u00fcr neue Energien verbundene Reichweitenangst l\u00f6sen.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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