Batterien der Zukunft – Wie diese 9 Innovationen die Elektromobilität transformieren werden?

Trotz der Einschränkungen, die die Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien allmählich, wenn auch langsam, überwinden, gewinnt die Elektromobilität an Popularität, und es ist schwer vorstellbar, diesen Trend umzukehren. Darüber hinaus benötigen wir jetzt effiziente und erschwingliche Zellen nicht nur in Elektrofahrzeugen und Rollern oder Elektrofahrzeugen, sondern auch in Heiminstallationen für erneuerbare Energien. Die moderne Lithium-Ionen-Technologie scheint ihre maximale Energiedichte zu erreichen. Es gibt jedoch keinen Grund zur Sorge, denn in einem Jahr oder zwei werden Lithium-Ionen-Zellen durch andere Technologien ergänzt, deren Fähigkeiten heute fast unrealistisch erscheinen. Entdecken Sie die größten Innovationen in der Elektrozellenindustrie.

Festkörperbatterien werden die Welt revolutionieren

Enthusiasten der Elektromobilität sind seit Jahren von der Festkörperbatterietechnologie (All Solid-State Battery, ASSB) begeistert, die eine hohe Energiedichte bietet. Im Jahr 2022 hat ein Startup aus dem Silicon Valley namens Quantum Scape außerdem eine Festkörperbatterie entwickelt, die sich in nur 15 Minuten bis zu 80% auflädt und einem Elektrofahrzeug (EV) ermöglicht, 640 km mit einer einzigen Ladung zu fahren. Diese Zelle verwendet ein spezielles keramisches Material, dessen Zusammensetzung ein Geheimnis ist. Ein Halbleiter wird zwischen Anode und Kathode platziert, der die flüssige Elektrolytlösung ersetzt, und seine Struktur ermöglicht den Fluss von Ionen, ohne Kurzschlüsse zu verursachen. Die Technologie ist vielversprechend, aber wir müssen mindestens bis 2025 warten, um ihr volles Potenzial in Elektroautos auszuschöpfen.

Auch Nissan und Toyota arbeiten an Halbleiterbatterien, wobei Toyota die Installation von Festkörperzellen in seinen Fahrzeugen bereits ab 2026 im Rahmen seines 13,6 Milliarden Dollar teuren Forschungsprogramms angekündigt hat.

Es ist schwer, sich zu wundern, wenn man sich die Fähigkeiten von Halbleiterbatterien ansieht, die eine volumetrische Energiedichte von bis zu 1000 Wattstunden pro Liter bieten (die besten Lithium-Ionen-Zellen erreichen 600 Wattstunden pro Liter). Noch wichtiger ist jedoch die gravimetrische Dichte, die bei NCM-Batterien etwa 250 Wh/kg beträgt und bei SSB-Batterien mehr als doppelt so hoch ist. Mit Festkörperzellen würde die Reichweite eines EV der eines Verbrennungsmotors entsprechen.

Zusätzlich haben Halbleiterbatterien keine flüssige Elektrolytlösung, die einfach ein organisches Lösungsmittel, ein Kohlenwasserstoff ist, das in Brand geraten kann. Dennoch verfügen Festkörperbatterien auch über Temperaturüberwachungssysteme, um Überhitzung und Degradation der Zellen zu verhindern. ASSB-Batterien sind auch weniger anfällig für die Bildung von Dendriten, die nach vielen Ladezyklen einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie zu Leistungsverlust, Kurzschlüssen und folglich Bränden führen.

Dendriten sind nadelförmige Strukturen, die sich in Li-Ionen-Zellen auf der Anode bilden. Sie entstehen aus Lithiumkristallen, die in der flüssigen Elektrolytlösung ausfallen. Die Verwendung von Halbleiterleiterschichten, die die Bewegung von Elektronen blockieren, während sie die Passage von Lithiumionen dank der sogenannten Schottky-Sperrschicht ermöglichen, verhindert die Ansammlung von Lithiumkristallen und somit die Bildung von Dendriten.

Leider sind Halbleiterzellen während des Betriebs einem Anstieg des Innendrucks ausgesetzt, was den Bau dieser Batterien erschweren und die Kosten solcher Batterien auf “nur” 65 US-Dollar pro kWh reduzieren wird, verglichen mit rund 150 US-Dollar pro kWh bei Standard-Lithium-Ionen-Batterien (Preise von 2023).

Siliziumbasierte Zellen müssen hart gedrückt werden

Mehrere andere Start-ups, darunter solche im Silicon Valley, arbeiten daran, Silizium anstelle von Graphit in Batterieanoden zu verwenden, was noch bessere Leistung als die Festkörpertechnologie bieten würde. Siliziumbatterien sind beeindruckend, weil sie sich in etwas mehr als 5 Minuten bis zu 80% aufladen können und in weniger als 10 Minuten 98% Ladung erreichen können. Darüber hinaus bleibt ihre Effizienz nach 1000 Ladezyklen bei 93%. Das Problem bei Siliziumbatterien ist, dass sie während des Betriebs ihr Volumen um das Dreifache vergrößern. Daher haben Testmodelle spezielle Edelstahlstrukturen, um die Ausdehnung auf höchstens 2% des Volumens nach 500 Zyklen zu begrenzen. Es scheint, dass diese Lösung ausreichend ist, da Porsche die Verwendung von Siliziumbatterien ab 2024 angekündigt hat und Mercedes-Benz plant, diese Zellen ab 2025 in Luxusmodellen einzubauen.

Strukturbatterien: Ein integraler Bestandteil des Fahrzeugs oder des Gebäudes

Innovationen in der Batterietechnologie betreffen nicht nur die Energiedichte oder die Kosten. Das Problem bei modernen Zellen ist ihre große Größe, insbesondere ihr Gewicht (z.B. wiegen Tesla Model 3 Batterien bis zu 480 kg und haben bei einer Energiedichte von 150 Wh/kg ein Volumen von 0,40 m³). Aus gestalterischer Sicht dient eine solche Batterie keinem Zweck, daher arbeiten Forscher an der Chalmers University of Technology an Strukturbatterien aus Kohlefaser. Testmodelle haben eine Dichte von nur 24 Wh/kg, aber es wird geschätzt, dass sie bis zu 75 Wh/kg erreichen können. Einerseits ist dies immer noch weniger als moderne Lithium-Ionen-Batterien, andererseits haben Strukturzellen die Festigkeit von Aluminium, wodurch sie nicht als “nutzlose Masse” dienen, da sie als tragende Elemente in Fahrzeugkarosserien oder Gebäudestrukturen dienen können.

Natriumbatterien anstelle von Lithium: Lösungsmittel aus Salz

Innovationen in der Batterietechnologie zielen auch darauf ab, Lithium aus ihrer Konstruktion zu entfernen, was die vollständige Eliminierung von Nickel, Mangan und Kobalt ermöglicht. Die Gewinnung dieser Materialien ist aufwändig und hat einen CO2-Fußabdruck. Daher wird anstelle von Lithium mit Natrium experimentiert. Natrium kann durch die Entsalzung von Wasser gewonnen werden, was die Produktion solcher Batterien im industriellen Maßstab im Vergleich zur aktuellen Umkehrosmosemethode wettbewerbsfähiger macht.

Natriumbatterien werden von Unternehmen wie dem kalifornischen Natron entwickelt. Sie haben angekündigt, dass ihre Zellen eine Lebensdauer von mehr als zehn Mal so lang wie moderne Li-Ionen-Batterien haben. Sie können sich in nur 8 Minuten zu 99% aufladen, haben eine Lebensdauer von über 50.000 Zyklen und sind außergewöhnlich thermisch stabil. Der Nachteil ist ihre signifikant niedrigere Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien. Dennoch werden Natriumbatterien voraussichtlich in Mikromobilitätsfahrzeugen populär werden, bei denen niedrige Batteriekosten wichtiger sind als eine hohe Reichweite, und die Natrium-Ionen-Technologie ist in dieser Hinsicht besonders wettbewerbsfähig.

Chinesische “Kondensatbatterien”

Das chinesische Unternehmen CATL hat den baldigen Beginn der Massenproduktion einer neuen “Kondensatbatterie” mit einer Energiedichte von bis zu 500 Wh/kg angekündigt. Außerdem laden Batterien dieses Typs sehr schnell. Der Hersteller behauptet, dass eine 10-minütige Ladung eines Elektrofahrzeugs mit einer solchen Batterie ihm ermöglichen wird, bis zu 400 km zu fahren. Die enorme Energiedichte der CATL-Batterien würde auch deren Verwendung in elektrischen Personenkraftwagen ermöglichen.

Diese bemerkenswerten Parameter wurden durch Designänderungen erreicht, die hauptsächlich die Verwendung eines neuen Elektrolyten und neuer Kathoden- und Anodenmaterialien beinhalten. Die innovativen Batterien des chinesischen Herstellers sollen noch in diesem Jahr in den ersten Elektrofahrzeugmodellen eingesetzt werden. Es wird geschätzt, dass sie die Elektrofahrzeugindustrie revolutionieren werden.

Fluoridbatterien: 8000 km Reichweite und Monate ohne Smartphone-Laden

Lithium kann auch durch viel preiswerteres Fluorid ersetzt werden, das bis zu zehnmal mehr Energie speichern könnte als zeitgenössische Li-Ionen-Batterien. Fluoridbatterien (FIB) sollen Elektrofahrzeugen eine Reichweite von bis zu 8000 km mit einer einzigen Ladung und Smartphones bieten, die über einen Monat lang keine Ladung benötigen. Derzeit kennen wir jedoch nur wenige Materialien, die in der Lage sind, Fluoridionen zu leiten, obwohl intensive Forschung in diesem Bereich stattfindet (ZnTiF6 zeigt vielversprechende Ergebnisse).

Zink- und Aluminium-Schwefel-Batterien

Eine weitere Alternative zu Lithium sind Zinkbatterien. Das Problem bei Zinkbatterien sind innere Kurzschlüsse, die zu Bränden führen können, verursacht durch bereits bekannte Dendriten. Die Verwendung einer speziellen chemischen Zusammensetzung des Elektrolyten soll die Bildung von Dendriten reduzieren. Durch die Verwendung von Ethylenglykol und Zinktetrafluoroborat wurde ein nicht brennbarer Elektrolyt hergestellt, der in einem Temperaturbereich von -30°C bis 40°C effizient bleibt.

Außerdem könnten Aluminium-Schwefel-Batterien als Alternative zu Lithiumzellen dienen. Diese Batterien verwenden preiswerte Materialien, und Testmuster laden in weniger als einer Minute auf volle Kapazität auf. Leider müssen sie zur vollen Effizienz bei einer Temperatur von bis zu 110°C gehalten werden. Während des Betriebs erzeugen Aluminium-Schwefel-Batterien jedoch Wärme, die zur Heizung genutzt werden kann. Darüber hinaus könnten Aluminium-Schwefel-Batterien theoretisch eine Energiedichte von nahezu 1400 Wh/kg erreichen, fünfmal mehr als die effizientesten Lithium-Ionen-Batterien. Eine Tesla Model 3-Batterie mit Aluminium-Schwefel-Technologie würde daher nur 96 kg anstatt 480 kg wiegen.

Kohlenstoff-Sauerstoff-Batterie: Houston, haben wir ein Problem?

Auch die vielversprechende Verwendung von Kohlenstoff-Sauerstoff-Zelltechnologie ist zu beachten. Die NASA hat sie für die Umwandlung der CO2-reichen Atmosphäre des Mars in sauerstoffreiche Luft entwickelt. Wenn Spannung angelegt wird, spaltet die Kohlenstoff-Sauerstoff-Zelle Kohlendioxid in Sauerstoff und Kohlenmonoxid auf und erzeugt dabei Strom. Solche Zellen sollen nur 15 US-Dollar pro kWh kosten und eine Dichte von 740 Wh/l bieten (zum Vergleich: Eine Tesla Model 3 LR-Batterie kostet etwa 151 US-Dollar pro kWh bei einer Dichte von 247 Wh/). Dies macht sie um das Dreifache kleiner als vergleichbare Li-Ionen-Zellen.

Allerdings können Kohlenstoff-Sauerstoff-Batterien nur etwa 100 Stunden lang geladen werden. Nach dieser Zeit beginnen Kohlenmonoxid und Sauerstoff im Inneren miteinander zu reagieren, was zur Entladung der Batterie führt. Daher wird diese Technologie nicht in Elektrofahrzeugen, sondern möglicherweise in Energiespeichersystemen für erneuerbare Energien eingesetzt.

Eisen-Luft-Zellen: Ideal für erneuerbare Energien?

Effiziente Batterien können auch aus Eisenoxidpulver und einer Wassermischung hergestellt werden. Diese Komponenten werden in einen Container gegeben, der mit einer Wasserstoffbrennstoffzelle verbunden ist. Das Durchleiten von Strom durch die wässrige Lösung führt zur Freisetzung von Sauerstoff aus pulverförmigem Eisenoxid, was in diesem Fall das Laden der Batterie bedeutet. Sauerstoff, der in Wasser gelöst ist, wird bald zu Eisenoxid, wobei Wasserstoff aus Wasser freigesetzt wird (so sieht die Entladung der Batterie aus), der die Brennstoffzelle antreibt und letztendlich Elektrizität erzeugt.

Die Designer von Form Energy, die eine funktionierende Eisen-Luft-Batterie bauen sollten, behaupteten, dass der Preis pro kWh nur 20 US-Dollar beträgt (bei einer typischen Li-Ionen-Batterie beträgt der Preis etwa 150 US-Dollar pro kWh). Diese innovativen Zellen sind jedoch schwer und laden langsam. Daher werden sie wahrscheinlich nicht in Elektrofahrzeugen eingesetzt, sondern höchstwahrscheinlich in Energiespeichersystemen für erneuerbare Energien.

Und während wir gerade dabei sind, haben auch Redox-Flow-Batterien großes Potenzial. Sie werden auch als Durchflussbatterien bezeichnet. Sie bestehen aus Tanks mit Elektrolyten und einer speziellen Membran. Pumpen zwingen den Fluss von Elektrolyten auf beiden Seiten der Membran, die für den Elektronentransfer verantwortlich ist.

Dank dieses Betriebsprinzips hängt die Kapazität der Batterie von der Menge des Elektrolyten ab, und ihre Leistung von der Anzahl der Zellen. Dies ermöglicht die Konstruktion von Energiespeichersystemen, die perfekt auf die Bedürfnisse des Benutzers zugeschnitten sind. Neben der einfachen Skalierbarkeit haben Redox-Flow-Batterien eine Lebensdauer von etwa 20.000 Zyklen, was über 20 Jahren entspricht. Darüber hinaus bieten sie eine höhere Brandsicherheit, und die Produktions- und Implementierungskosten sind attraktiv, obwohl ihre Energiedichte zehnmal niedriger ist (12 – 40 Wh/kg) im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien.

Natürlich werden Redox-Flow-Batterien keine Anwendung in Mikromobilitätsfahrzeugen oder Elektroautos finden. Ihre Verwendung in Energiespeichersystemen wird jedoch die Nachfrage nach Li-Ionen-Batterien reduzieren, was die Kosten für Batterien, die diese Technologie verwenden, senken wird.