Der Maschinenraum der Batterietechnologie erlebt derzeit einen wahrhaften Innovationsdrang, und eine neue Technik könnte das Spiel in der Welt der Elektrofahrzeuge verändern. Stellen Sie sich eine Batterie vor, die leichter, leistungsfähiger ist und eine Reichweite von bis zu 800 Kilometern bietet. Dies ist das Versprechen der anodenlosen Festkörperbatterien, die von dem Start-up QuantumScape entwickelt werden. Diese bahnbrechende Herangehensweise könnte zahlreiche Herausforderungen bestehender Elektrofahrzeuge lösen.
Warum die Eliminierung der Anode die Batterie revolutioniert
„Wenn Sie einen drastischen Fortschritt bei den Kosten sowie der Energie pro Masse und Energie pro Volumen erzielen wollen, wäre die bedeutendste Veränderung die Beseitigung der Anode“, erklärt Tim Holme, Mitbegründer und Technikchef von QuantumScape. Diese Aussage mag technisch klingen, verbirgt jedoch eine grundlegende Wahrheit: Die herkömmliche Graphitanode zählt zu den problematischsten Komponenten der heutigen Batterien.
Die traditionelle Anode weist mehrere wesentliche Nachteile auf:
- Sie benötigt giftige Lösungsmittel für die Herstellung
- Ihre Produktion verursacht erhebliche CO2-Emissionen
- Sie macht einen signifikanten Teil des Gesamtgewichts der Batterie aus
- Sie beeinflusst die Ladegeschwindigkeit und die energetische Dichte
Aktuell kontrolliert China den Großteil der Graphitversorgungskette, was auch strategische Fragen für europäische und amerikanische Hersteller aufwirft.
Die anodenlose Lithium-Metall-Batterie: Wie funktioniert sie?
Die von QuantumScape und Konkurrenten wie Factorial, Our Next Energy und Ensurge Micropower entwickelte Technologie basiert auf dem grundlegenden Prinzip, die Anode „in situ“ zu erzeugen, das heißt direkt innerhalb der Batterie, anstatt sie als separate Komponente einzufügen.
In einer anodenlosen Lithium-Metall-Batterie erfolgt der Prozess anders. Während der ersten Ladung lagern sich Lithium-Ionen auf dem Stromkollektor ab und bilden so die Lithium-Metall-Anode. Dieses Verfahren vereinfacht die Herstellung erheblich, senkt die Kosten und steigert die energetische Dichte.
Laut QuantumScape wären die Leistungen bemerkenswert: Ein Elektrofahrzeug, das normalerweise eine Reichweite von
560 Kilometern hat, könnte mit seinen Lithium-Metall-Zellen mit festem Elektrolyt eine Reichweite von
640 bis 800 Kilometern erreichen.
Eine große technische Herausforderung: Die Dendriten
„Lithium-Metall ist die beste Anode. Es ist besser als Graphit und besser als Silizium“, sagt Holme. „Der feste Elektrolyt in Kombination mit Lithium-Metall ergibt die beste Batterie. Es gibt keine technischen Kompromisse, aber es ist eine ingenieurtechnische Herausforderung.“
Das Hauptproblem bei der Entwicklung von Lithium-Metall-Batterien war immer die Dendritenbildung – spitze Metallstrukturen, die sich innerhalb der Batterie entwickeln und diese vorzeitig schädigen können. Diese mikroskopischen Auswüchse durchdringen den Elektrolyten und verursachen katastrophale Kurzschlüsse.
Um dieses Problem zu lösen, hat QuantumScape einen Separator aus festem Elektrolyten entwickelt, der aus einem proprietären keramischen Material besteht, das die Dendritenbildung verhindert. Der Elektrolyt besteht aus einer organischen Flüssigkeit, während die Kathode aus Nickel, Eisen oder beiden gefertigt werden kann.
| Komponente | Traditionelle Lithium-Ionen-Batterie | Anodenlose Lithium-Metall-Batterie |
|---|---|---|
| Anode | Graphit oder Silizium (vorgefertigt) | Lithium-Metall (in situ gebildet) |
| Separator | Poreux-Polymer | Feste Keramik |
| Energetische Dichte | ~250-300 Wh/kg | 305-450 Wh/kg |
| Sicherheit | Brandrisiko | Unbrennbarer Separator |
Vielversprechende Leistungen, aber noch nicht revolutionär
Die QSE-5-Zelle von QuantumScape weist eine energetische Dichte von
305 Wattstunden pro Kilogramm auf, was lediglich eine marginale Verbesserung im Vergleich zu den NMC 4680-Zellen von Tesla darstellt, die im Cybertruck und Model Y verwendet werden und zwischen 272 und 296 Wh/kg geschätzt werden.
Im Vergleich dazu beansprucht die Solstice-Batterie von Factorial eine beeindruckende Dichte von
450 Wh/kg. Daher befindet sich die Dichte der QSE-5 bei einer experimentellen Festkörperbatterie am unteren Ende des Spektrums.
Trotzdem bleiben die Vorteile signifikant. Die Lebensdauer verbessert sich durch die Beseitigung der „Kapazitätsverluste“, die durch chemische Reaktionen zwischen der Anode und dem Elektrolyten entstehen. Die Sicherheit wird durch den keramischen Separator erhöht, der als nicht brennbar und stabil selbst unter extremen thermischen Belastungen beschrieben wird. Bei einem Unfall hätte ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie ein geringeres Risiko, in Flammen aufzugehen.
Von der Theorie zur Produktion: Der Weg zur Kommerzialisierung
QuantumScape hat bereits „B-Muster“ seiner neuen Batterie an Automobilhersteller versendet, um Tests durchzuführen, und plant, in diesem Jahr weitere zu verschicken. Einer der Kunden von QuantumScape ist PowerCo SE, eine Tochtergesellschaft der Volkswagen-Gruppe, die sich auf Batterien spezialisiert hat.
„Wir haben ihnen eine Lizenz für unsere Technologie erteilt und arbeiten gemeinsam an deren Implementierung“, erklärt Holme. „Sie bauen Gigafabriken in Spanien, Deutschland und Kanada und wir werden mit ihnen zusammenarbeiten, um diese Technologie in die Produktion zu bringen.“
Im Rahmen dieser nicht-exklusiven Lizenzvereinbarung darf PowerCo bis zu
40 Gigawattstunden an Batterien herstellen, die die Technologie von QuantumScape nutzen, mit der Option, auf
80 GWh zu erweitern, was ausreichen würde, um etwa eine Million Elektrofahrzeuge pro Jahr auszu statten.
Was die Kosten betrifft, vergleicht Holme die Entwicklung der Festkörperzellen mit der Art und Weise, wie SpaceX die Raumfahrtindustrie revolutioniert hat: „Wenn Sie die erste SpaceX-Rakete mit dem vergleichen, was die NASA damals machte, war sie nicht so wettbewerbsfähig in Bezug auf die Kosten. Aber mit den Verbesserungen hat SpaceX die Kosten um mehrere Größenordnungen gesenkt im Vergleich zu dem, was die NASA praktizierte.“
Anders ausgedrückt, wird diese Technologie wahrscheinlich anfänglich teurer sein als eine herkömmliche Batterie. Doch mit steigender Produktionsmenge und Optimierung der Prozesse könnte sie wettbewerbsfähig werden oder sogar die aktuellen Lithium-Ionen-Batterien in Bezug auf das Preis-Leistungs-Verhältnis übertreffen.
