Anfang dieses Monats gab China bekannt, dass es 6 Milliarden Yuan (etwa 827 Millionen US-Dollar) in einen Fonds investieren werde, der die Entwicklung von Festkörperbatterien durch die großen Batteriehersteller des Landes fördern soll. Festkörperbatterien verwenden Glas-, Keramik- oder feste Polymerelektrolyte anstelle der flüssigen Lithiumsalze, die in den meisten aktuellen Batterien für Elektrofahrzeuge (EV) enthalten sind. Sie werden mit Spannung erwartet, da sie eine drei- bis viermal höhere Energiedichte als Flüssigelektrolytbatterien haben, während ihrer Lebensdauer mehr Lade-Entlade-Zyklen bieten und viel weniger empfindlich auf die Reaktion des thermischen Durchgehens reagieren, das manchmal zu Lithiumbatterien führt aufholen. Feuer.
Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass chinesische Investitionen in die Zukunft der Batterien den Zeitplan für die Massenproduktion und den Einsatz in Serienfahrzeugen beschleunigen werden. Als IEEE-SpektrumWie bereits im Januar betonte, ist es nicht realistisch, in naher Zukunft in Serienfahrzeugen nach Festkörperbatterien zu suchen. Experten Spektrum Die damals befragte Person stellte „eine ausgeprägte Skepsis hinsichtlich der technischen Vorzüge dieser Ankündigungen fest.“ Niemand konnte irgendetwas am Horizont isolieren, das darauf hindeutet, dass die Festkörpertechnologie der „Ingenieurs- und Produktionshölle“, die uns erwartet, entkommen kann.
„An dieser Stelle zu behaupten, dass jede Batterie und die Investitionen eines bestimmten Landes in Batterieforschung und -entwicklung in Zukunft dominieren werden, ist einfach falsch.“ –Steve W. Martin, Iowa State University
Um eine Massenproduktion von Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge zu erreichen, müssen zunächst bestehende Festkörperbatterietechnologien – die jetzt für andere, weniger anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt werden – hinsichtlich Leistung, Lebensdauer und relativen Kosten für den Fahrzeugantrieb validiert werden. Forscher müssen noch herausfinden, wie diese Batterien mit zunehmendem Alter Ladung aufnehmen und halten und Strom liefern. Sie müssen außerdem nachweisen, dass eine Glas- oder Keramikbatterie den Erschütterungen beim Fahren auf holprigen Straßen standhält, und bescheinigen, dass sie gelegentlichen Kollisionen standhalten kann.
Hier sind die halbfesten Batterien
Während die Welt darauf wartet, dass feste Elektrolyte die Flüssigkeiten verdrängen, haben sich der chinesische Elektrofahrzeughersteller Nio und der Batteriehersteller WeLion New Energy Technology Co. zusammengetan, um eine dritte Option auf den Markt zu bringen, die den Unterschied macht: halbfeste Elektrolyte. Zustandsbatterien mit Gel-Elektrolyten.
Car News China berichtete im April, dass WeLion-Zellen eine Energiedichte von 360 Wattstunden pro Kilogramm haben. Vollständig verpackt beträgt die Nenndichte der Batterie 260 Wh/kg. Dies stellt immer noch eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu Lithium-Eisenphosphat-Batterien dar, deren Dichte bei 160 Wh/kg liegt. Bei Tests, die letzten Monat mit den Elektrofahrzeugen von Nio in Shanghai, Chengdu und mehreren anderen Städten durchgeführt wurden, lieferten die WeLion-Batterien eine Reichweite von mehr als 1.000 Kilometern mit einer einzigen Ladung. Nio plant, den neuen Batterietyp ab diesem Monat in seiner gesamten Fahrzeugpalette einzuführen.
Aber die Großzügigkeit der Regierung von Peking und der Versuch der Nio-WeLion-Partnerschaft, als erste Halbfestkörperbatterien in Serienfahrzeuge zu integrieren, sollten nicht dazu verleiten, den Antrieb von Elektrofahrzeugen voreilig als Gunst Chinas zu qualifizieren.
Das sagt Steve W. Martin, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Iowa State University in Ames. Martin, zu dessen Forschungsgebieten glasartige Festkörperelektrolyte für Festkörper-Lithiumbatterien und reversible Anoden mit hoher Kapazität für Lithiumbatterien gehören, glaubt, dass Festkörperbatterien die Zukunft sind und dass halbfeste Hybridbatterien wahrscheinlich einen Übergang von Flüssig- zu Flüssigbatterien darstellen werden solide. -Batteriezustand. Er sagt jedoch: „An dieser Stelle zu behaupten, dass jede Batterie und die Investitionen eines Landes in die Batterieforschung und -entwicklung in Zukunft dominieren werden, ist einfach falsch.“ Martin erklärt, dass „derzeit zu viele verschiedene Arten von Festkörperbatterien in der Entwicklung sind und keiner von ihnen einen klaren technologischen Vorsprung hat.“
Die Vorteile halbfester Batterien
Die wichtigste Innovation, die halbfesten Batterien einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Batterien verschafft, ist der halbfeste Elektrolyt, der ihnen ihren Namen gibt. Gelelektrolyte enthalten wie flüssige Elektrolyte Ionenleiter wie Lithiumsalze, aber die Art und Weise, wie sie in der Gelmatrix suspendiert sind, ermöglicht eine viel effizientere Ionenleitfähigkeit. Der verbesserte Ionentransport von einer Seite der Batterie zur anderen erhöht den Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung, wodurch ein vollständiger Stromkreis entsteht. Dies ist während der Ladephase wichtig, da der Vorgang schneller abläuft als bei einer Flüssigelektrolytbatterie. Die Gelstruktur verhindert zudem die Bildung von Dendriten, den nadelartigen Strukturen, die sich beim Laden an der Anode bilden und Kurzschlüsse verursachen können. Darüber hinaus sind Gele weniger flüchtig als flüssige Elektrolyte und daher weniger anfällig für Feuer.
Obwohl halbfeste Batterien nicht die erwartete Energiedichte und Zyklenlebensdauer von Batterien mit Festkörperelektrolyten erreichen, haben sie kurzfristig einen Vorteil, da sie auf herkömmlichen Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden können. Ebenso wichtig ist, dass sie getestet wurden und jetzt und nicht erst zu einem noch unbekannten Zeitpunkt verfügbar sind.
Semi-Solid-State-Batterien können auf herkömmlichen Produktionslinien für Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden.
Neben WeLion entwickeln mehrere Unternehmen aktiv halbfeste Batterien. Chinas große Batteriehersteller, darunter CATL, BYD und die staatlichen Automobilhersteller FAW Group und SAIC Group, sind wie WeLion Nutznießer von Pekings Plänen, die Batterietechnologie der nächsten Generation im Inland voranzutreiben. Darüber hinaus arbeitet das 2009 in Ganzhou, China, gegründete Startup Farasis Energy mit Mercedes-Benz zusammen, um fortschrittliche Batterien zu kommerzialisieren.
Der Weg zu Festkörperbatterien
Das amerikanische Start-up QuantumScape gibt an, dass die von ihm entwickelten Feststoff-Lithium-Metall-Batterien eine Energiedichte von rund 400 Wh/kg bieten werden. Das Unternehmen weist darauf hin, dass seine Zellen den Ladeengpass beseitigen, der bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen auftritt, bei denen Lithium in Kohlenstoffpartikel diffundieren muss. Die fortschrittlichen Batterien von QuantumScape ermöglichen daher eine schnelle Aufladung von 10 auf 80 % in 15 Minuten. Das ist bei weitem nicht der Fall, aber das im Silicon Valley ansässige Unternehmen gab im März bekannt, dass es damit begonnen habe, seinen Alpha-2-Prototyp einer halbfesten Zelle zum Testen an Hersteller auszuliefern.
Toyota gehört zu einer Gruppe von Unternehmen, die ihre Risiken nicht absichern wollen. Der Autohersteller ignoriert alle Kritiker und will bis 2027 Festkörperbatterien auf den Markt bringen, die einem Elektrofahrzeug eine Reichweite von 750 Meilen mit einer einzigen Ladung ermöglichen und ein 10-minütiges Schnellladen ermöglichen sollen. Er führt seinen Optimismus auf Fortschritte bei der Bewältigung von Nachhaltigkeitsthemen zurück. Und für Unternehmen wie Solid Power geht es auch um Solid State oder Pleite. Solid Power, das eine Lithiumbatterie mit einem proprietären Festelektrolyten auf Sulfidbasis auf den Markt bringen will, ist eine Partnerschaft mit den großen Automobilherstellern Ford und BMW eingegangen. ProLogium Technology, das ebenfalls seine Vorbereitungen für den Einsatz von Festkörperbatterien fortsetzt, sagt, dass es noch in diesem Jahr mit der Auslieferung von Batterien beginnen wird, die einen Keramikoxidelektrolyten mit einer flexiblen Lithium-freien Kathode kombinieren (für eine Dichteenergie von mehr als 500 Wh/kg). ). . Das Unternehmen, das eine Partnerschaft mit Mercedes-Benz eingegangen ist, zeigte Vertrauen in seinen Zeitplan, indem es Anfang des Jahres die erste Fabrik für Festkörper-Lithium-Keramik-Batterien im Giga-Bereich in Taoke, Taiwan, eröffnete.
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