Festkörperbatterien – was braucht es für den Durchbruch?

Gast-Autor: Daniel Alves Dalla Corte

Veröffentlicht am: 06.11.2020

Ein Start-up aus Paris hat es sich zur Aufgabe gemacht die Wissenschaft und die Forschung beim Durchbruch der Festkörperbatterien zu unterstützen.

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen) haben unser Leben verändert. Das ist nicht mehr von der Hand zu weisen. Dank intensiver Forschung von Universitäten gemeinsam mit der Industrie, hat sich die Batterie zum “Technology-Enabler” entwickelt und batteriebetrieben, mobilen Geräten die Türe zum Massenmarkt eröffnet. Vom Auto bis zum Akku-Bohrschrauber alles wird elektrifiziert und kabellos.

Neben der Technologie befriedigt die Li-Ionen Batterie einen weiteren Markttrend – das starke Verlangen nach umweltfreundlichem Umgang mit Technologie. Das Elektroauto trifft hier genau den Puls der Zeit. Politik und Bevölkerung verlangen nach einer “sauberen” Version des Öl-verbrennenden Ottomotors. “But nothing comes without a price” – wusste schon Juliet Marillier. Speziell nicht die Li-Ionen Batterie. Vor allem die Materialkosten sind ein großer Kostenfaktor dieser Technologie und nehmen etwa 60% der Gesamtkosten ein. Zudem kommt noch ein energieintensiver, kostspieliger Produktionsprozess, der für ca. 40% der Kosten verantwortlich ist.

Dies führt am Ende dazu, dass bei einem Elektroauto der Preis für die Batterie, je nach Größe, zwischen 5.000-20.000 Euro liegt. Sicher ein Grund, warum nicht jedes Auto schon batteriebetrieben ist. Zudem kommt noch der eigentliche, wahre, Umweltfußabdruck der Li-Ionen Batterie. Vor Themen rund um den gesamt CO₂-Fußabdruck der Batterie und die menschenrechtliche Situation in den kobaltabbauenden Ländern, einen der wichtigsten Grundstoffe aktueller Batterien, werden oft die Augen verschlossen.

Der wichtigste Grund, warum nicht bereits heute alle Autos Batterien betrieben sind, ist aber die limitierte Energiedichte von flüssig-Li-Ionen-Batterien. Gerne hätte die Industrie, vor allem die Automobilindustrie, Batterien die halb so groß, doppelt so Leistungsfähig und deutlich sicherer sind. Der hochentzündliche Flüssigelektrolyt ist es vor allem, der den Forschern Kopfzerbrechen bereitet. Der Flüssigelektrolyt ist ein determinierender Faktor für das Batterie-Potential und somit die Performance der Batterie. Zudem dient der Flüssigelektrolyt, im Falle eines “Thermal Runaways”, als Brandbeschleuniger.

Es ist also Kreativität gefragt, um die Grenzen dieser Technologie voranzutreiben und die nächste Generation an Batteriezellen zu entwickeln, die günstiger, leistungsstarker, sicherer und wirklich umweltfreundlich ist. Nur wie?

Innovative Unternehmen wie zum Beispiel Tesla gehen hier neue Wege und überdenken radikal das Konzept der Li-Ionen Zelle und des Batteriepacks. Beim letzten „Battery Day“, im September dieses Jahres, hat Tesla erneut eindrücklich gezeigt, wie man über den Tellerrand hinausschaut. Die Ingenieure von Tesla haben die gesamte Wertschöpfungskette der Li-Ionen Batterieproduktion in Frage gestellt – mit dem Ziel: Vereinfachung, wo immer möglich, um Kosten zu senken, unnötige Produktionsschritte zu eliminieren und “grüner” zu produzieren. Das bedeutet zum Beispiel den enormen Wasserverbrauch zu senken. Ein holistischer Ansatz der sicher viel Potential birgt!

Neben dem Optimieren der Flüssigelektrolyt basierenden Li-Ionen Technologie, hat sich in den letzten Jahren ein weiterer Trend etabliert, der einen großen Schritt in die richtige Richtung ermöglichen könnte – die Festkörperbatterie.

Ein Konzept das es bereits seit den 1950er Jahren gibt, ist wieder auf dem Vormarsch. Wissenschaftler, Start-Ups, und die Großindustrie, arbeiten mit Hochdruck daran eine Alternative für den Flüssigelektrolyt zu entwickeln. Riesige Mengen an R&D Budget, Risikokapital und Forschungsgelder werden in den Markt gepumpt. Es gibt quasi kein Batterie-Forschungslabor mehr, dass sich nicht mit den sogenannten ASSB (All-Solid-State-Batteries) befasst. Auch die Industrie kann sich das nicht leisten, sodass viele Unternehmen im „Scouting“ und „Monitoring“ Modus sind. Zudem gibt es eine Reihe an neuen Akteuren, die in den Markt dringen. Start-ups sprießen überall aus dem Boden, aber auch klassische Chemie bzw. Material Produzenten – die einfach mal wissen wollen wie ihre Keramiken in einer ASSB-Zelle funktionieren – befassen sich mit diesem Thema. Es gilt für alle die Augen und Ohren offen zu halten, um keine Marktchance oder Innovation der Konkurrenz zu verpassen.

Übersicht relevanter Marktteilnehmer

Die Festkörpertechnologie verspricht eine höhere Leistung durch die potentielle Verwendung von Lithiummetall als Anode und mehr Sicherheit durch den Verzicht auf den brennbaren Flüssigelektrolyt.

Vor einer erfolgreichen Kommerzialisierung der Technologie, muss dies jedoch noch unter Labor- sowie Realbedingungen bewiesen werden. Auch Produktionsprozesse müssen definiert und vereinfacht werden, um eine adäquate Amortisierung der großen Investitionssummen zu sichern.

Deshalb liegt der Schlüssel zu dieser Technologie darin, einen stabilen, kostengünstigen und einfach zu produzierenden Festkörperelektrolyten zu finden, der im Verbund mit Lithium eine hoch performante Zellchemie erlaubt. Derzeit wird eine Reihe von potenziellen Materialien untersucht, die im Allgemeinen in anorganische Keramiken und verschiedene Polymere unterteilt werden können.

Übersicht potentieller Festkörperelektrolyt-Materialen; anorganische Keramiken und Polymere.

Der Hauptunterschied zwischen Keramischen und Polymeren- Festkörperelektrolyten liegt in ihren mechanischen, chemischen und elektrochemischen Eigenschaften. Keramiken überzeugen vor allem mit ihrer “hohen” Ionenleitfähigkeit und Stabilität, sind aber relativ anspruchsvoll bei der Verarbeitung. Oxid-keramiken gelten als weitestgehend elektrochemisch stabil, Sulfid-Keramiken benötigen jedoch sogenannte „coatings“ um eine ausreichend hohe elektrochemische Stabilität aufzuweisen. Nichtsdestotrotz gelten Sulfid-Keramiken zurzeit als das vielversprechendste Material, da sie eine günstige Leitfähigkeit sowie eine Stabilität mit guten Fortschritten bei der Verarbeitbarkeit vereinen. Obwohl Polymere einfacher und kostengünstiger zu verarbeiten sind, ist bisher die geringe ionische Leitfähigkeit und chemische Stabilität, gegenüber beiden Elektroden, stark limitierend.

Interessant ist speziell auch die Entwicklung bei den Halogenid-Elektrolyten (X= F, Cl, Br, I), diese könnten vielversprechende Ansätze zur weiteren Erhöhung der Ionenleitfähigkeit durch Optimierung der Leerstellenkonzentration oder Erhöhung der Stabilität gegenüber Li-Metall durch Abstimmung der chemischen Zusammensetzung oder Kombination funktioneller Zwischenschichten, bieten.

Überblick der Performance Faktoren von Festkörperelektrolyten:

Der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien ist aber noch in den Kinderschuhen, es gibt noch eine Reihe grundlegender Herausforderungen die im Wege stehen. Elektrochemische-Stabilität, Materialermüdung und die Beherrschung der metallischen Lithium-Abscheidung und des Zyklierens, sind bisher noch unzureichend erforscht. Hinzu kommt die Abhängigkeit der Leitfähigkeit vom mechanischen Stapeldruck und der Temperatur. Das schränkt aktuell die Skalierbarkeit, aber auch die Möglichkeit der Erforschung dieser Materialien, im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, stark ein. Die Forschungslabore der Universitäten und der Industrie sind nicht für diese Art von Technologie ausgestattet. Die klassischen Methoden mit „Coin-“ oder „Pouch-cells“, funktionieren hier, speziell in der Grundlagenforschung, nicht.  Die starke Druck- und Temperaturabhängigkeit des Systems verlangt nach neuen Testverfahren, welche die genaue Kontrolle dieser Parameter erlauben.

Um heute eine Idee in einem Experiment umzusetzen, müssen Forscher erst neue Materialien synthetisieren, eventuell Bindemittel, Lösungsmittel oder andere Zusätze hinzufügen, um dann ein sogenanntes “Pellet” (bestehend aus Anode, Elektrolyt und Kathode) zu formen, um so eine passende Testzelle finden, in der ein Test dann umgesetzt werden kann. Genau diese Testzellen waren bis vor Kurzen nicht kommerziell erhältlich.

Übersicht Traditioneller ASSB Testprozess vs. Sphere-Energy Testprozess

Eine weitere große Herausforderung ist, dass Testergebnisse aus der akademischen Forschung oft nicht für die Industrie zu gebrauchen sind. Es gibt keine Standards und die Ergebnisse für ein und dasselbe Material, gemessen in unterschiedlichen Laboren, sind oft größer als die Unterschiede verschiedener Materien, gemessen im gleichen Labor – wie hier in einem Nature Artikel kürzlich Beschrieben (Nature).

Deshalb braucht es ein Umdenken beim Erforschen dieser Materialien, speziell was die Testverfahren, das Equipment und den Connect zwischen Wissenschaft und Industrie angeht.

Genau hier setzt das Start-up Sphere-Energy an. Das Team, das selbst aus diesem Forschungsbereich stammt, hat es sich zur Mission gemacht, mit innovativer Hardware und Testzellen, neue Maßstäbe bei der Qualität und Vergleichbarkeit von Messdaten für Feststoffkörper Batterien zu erreichen.

Ohne den Zugang zu standardisierten Testzellen, die auf diese Herausforderungen ausgerichtet sind, haben Labors bisher nur zwei Möglichkeiten: 1) nicht zu testen, 2) Testzellen selbst zu bauen. Genau das hat zu den großen Diskrepanzen für Ergebnisse verschiedener Labors geführt oder hält Unternehmen, die vielleicht interessante Materialien besitzen, ganz davon ab diese zu testen.

Die Testzellen von Sphere-Energy sind darauf ausgelegt, jedem Labor einen schnellen Zugang zu hoch standardisierten Testprozessen zu ermöglichen. Forscher sollen sich wieder um das Denken und Experimentieren kümmern könne, alle relevanten Parameter kontrollieren können und saubere Daten produzieren, um so die Lücke zwischen Forschung und Fertigung wieder zu schließen. Das Team von Sphere-Energy hat ein klares Ziel: “Wir wollen den Markteintritt dieser Technologie beschleunigen und unterstützen alle Forscher und Forscherinnen, ob an der Universität oder in der Industrie, mit unserem Equipment, um bessere Daten zu produzieren.”