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Fünf Ansätze für bessere Lithium-Ionen-Batterien

1. Dezember 2022, 9:30 Uhr | Von Dr. Alex Holland, IDTechEx
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Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien stoßen nach allgemeiner Auffassung an ihre Leistungsgrenzen. Von den Zellmaterialien bis hin zu den Batteriedesigns gibt es mindestens fünf Ansätze, um die Leistungsfähigkeit zu steigern und die Kosten zu senken.

  • Von Graphit auf Silizium umsteigen

  • Neue Syntheseverfahren für Kathoden

  • Feststoffelektrolyte und neue Rezepturen

  • Platzsparende Akkupacks

  • Intelligentere Batterie-Management-Systeme

Moderne Lithium-Ionen-Batterien basieren auf Anoden aus Graphit, flüssigen Elektrolyten und Kathodenmaterialien wie NMC (Nickel-Mangan-Cobalt) und LFP (Lithium-Eisenphosphat). Allerdings stoßen sie mittlerweile an physikalische Grenzen. Im Folgenden geht es um fünf Ansätze, wie sich die Leistungsfähigkeit zukünftiger Batterien steigern und die Kosten senken lassen.

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Von Graphit auf Silizium umsteigen

Anoden aus Silizium können die Energiedichte und die Leistungsfähigkeit von Batterien erheblich verbessern und sind eine vielversprechende Alternative zu den bisher verwendeten Anoden aus Graphit. Silizium wurde bisher in geringen Mengen (<5%) in der Anode verwendet, doch der Übergang von der Verwendung als Additiv hat sich aufgrund der damit verbundenen Volumenänderung und der daraus resultierenden Herausforderungen in Bezug auf Stabilität und Zyklenlebensdauer als schwierig erwiesen. In den letzten 10 bis 15 Jahren hat sich die Siliziumanoden-Technologie allerdings stetig verbessert, sodass Zellen mit einem Siliziumanteil von 5 bis 100 Prozent in der Anode verwendet werden können.

Zu den Entwicklungen im Jahr 2022, die unterstreichen, wie groß das Interesse an dieser Technologie ist, gehören die Finanzierungsrunde von Nexeon in Höhe von 200 Mio. US-Dollar und die Lizenzierung von Material an SKC, den Börsengang von Amprius, die Finanzierungsrunde von Group14 Technologies in Höhe von 400 Mio. US-Dollar und die Übernahme von Tera Technos durch Posco. Darüber hinaus lieferte Amprius kommerzielle Zellen mit 450 Wh/kg für den Einsatz in Satelliten, während das im September 2021 auf den Markt gebrachte Fitness Wearable Whoop 4.0 die Siliziumanoden-Technologie von Sila Nanotechnologies nutzt.

Zusammengenommen deuten diese Entwicklungen darauf hin, dass der Markt für Siliziumanoden heranreift und der Einsatz von fortschrittlichen Siliziumanoden in einer Vielzahl von Anwendungen immer wahrscheinlicher wird. IDTechEx prognostiziert daher ein beträchtliches Wachstum bei der Verwendung von Siliziumanoden, obwohl Grafit bis in die 2030er-Jahre die dominierende Anodentechnologie bleiben dürfte.

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Bild 1: Mit Silizium lässt sich die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verbessern.
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Neue Syntheseverfahren für Kathoden

Künftige Lithium-Ionen-Batterien dürften eine ähnliche Palette von Kathodenmaterialien verwenden, wie sie heute handelsüblich sind. LNMO (Lithium-Nickel-Mangan-Oxid) oder das bei LFP-Zellen verwendete LMFP (Lithium-Mangan-Eisenphosphat) könnten als Ausnahmen betrachtet werden, obwohl beide die Energiedichte nicht steigern dürften, sondern unterschiedliche Kompromisse zwischen hoher Leistung und niedrigen Kosten bieten. LiMn-reiche NMC-Kathoden könnten die Energiedichte moderat erhöhen, aber die kommerzielle Erschließung ist begrenzt und langsam.

Allgemein dürften sich die Kathodenmaterialien nur schrittweise verbessern. Die größte Veränderung könnte tatsächlich von der Kathodentechnologie und Innovationen in der Synthese der Materialien ausgehen. Die gängigen Syntheseverfahren erfordern hohe Temperaturen über relativ lange Zeiträume (mehrere Tage) und verbrauchen gleichzeitig erhebliche Mengen an Reagenzien und Wasser, was die Fertigungskosten in die Höhe treibt und die Umwelt belastet. Nano One Materials und 6K Energy sind zwei Unternehmen, die neue Wege gehen wollen, um Kathodenmaterialien zu synthetisieren.

Nano One Materials verwendet ein lösungsbasiertes One-Pot-Verfahren, um beschichtete Kathodenmaterialien herzustellen. Dazu kooperiert das Unternehmen mit dem Kathodenhersteller Pulead und schloss Anfang 2022 eine Entwicklungsvereinbarung mit BASF ab. 6K Energy verwendet einen Mikrowellen-Plasmareaktor, um seine Kathodenmaterialien herzustellen. Darüber hinaus kann das Unternehmen auch Siliziumanoden und Festelektrolyte synthetisieren.
Im Mai 2022 schloss 6K eine Serie-D-Finanzierungsrunde in Höhe von 102 Mio. US-Dollar ab und ging zudem Entwicklungsvereinbarungen mit Albemarle, einem Lieferanten von Lithium, und Our Next Energy, einem anderen Startup-Unternehmen für Kathodenmaterialien, ein. Sowohl Nano One Materials als auch 6K Energy versprechen gestraffte Fertigungsverfahren für höhere Durchsätze, höhere Erträge und niedrigere Herstellungskosten sowie geringere ökologische Auswirkungen.

Feststoffelektrolyte und neue Rezepturen

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Bild 2: Verschiedene Ansätze der Festkörperelektrolyt-Technologie
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Während Feststoffelektrolyte derzeit viel von sich reden machen, kann der Einsatz neuer Additive und Rezepturen für Elektrolyte dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit von flüssigen Elektrolytsystemen weiter zu verbessern. New Dominion Enterprises beispielsweise entwickelt Elektrolytzusätze und Lösungsmittel auf der Basis von Phosphazenen und Phosphor-Stickstoff-Verbindungen, um die Sicherheit und Leistungsfähigkeit zu verbessern. Insbesondere können ihre Elektrolyt-Additive die thermische Stabilität verbessern und den Dampfdruck und die Bildung einer Festelektrolyt-Interphase (Solid Electrolyte Interphase, SEI) verringern. Langfristig will das Unternehmen das herkömmlich verwendete organische Lösungsmittel vollständig durch sein Elektrolytsystem ersetzen, sodass sich die Sicherheit erheblich verbessern könnte.

Dennoch bleibt die Festkörpertechnologie für viele Hersteller von Elektrofahrzeugen das Allheilmittel, denn sie kann die Sicherheit erheblich verbessern, indem sie die brennbaren flüssigen Elektrolyte, die derzeit verwendet werden, durch einen festen Elektrolyten ersetzen. Darüber hinaus bieten Festkörperelektrolyte auch die Möglichkeit, Lithiummetall-Anoden zu verwenden, was die Energiedichte auf über 1000 Wh/l steigern könnte.

Bis 2031 könnte dieser Markt auf über 8 Milliarden US-Dollar anwachsen, wobei Flüssigelektrolyte weiterhin einen wichtigen Teil des Marktes ausmachen dürften. Die Herausforderungen in Bezug auf Stabilität, Zyklenlebensdauer, Verarbeitbarkeit und sogar Sicherheit von Festelektrolyt-Systemen bedeuten, dass der Wettlauf zwischen verschiedenen Elektrolyt-Systemen weitergeht.

Platzsparende Akkupacks

Insbesondere bei Elektroautos eröffnet das Design des Batteriepacks einen weiteren wichtigen Pfad zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit. Viele Autohersteller haben Batterien im Cell-to-Pack-Design angekündigt. Damit sollen die Materialien in den Modulgehäusen eliminiert und die Packungseffizienz optimiert werden, wodurch letztlich die Energiedichte steigt und sich die Batterie besser in das Fahrzeug integrieren lässt. BYD wirbt damit, die Volumenausnutzung um 50 Prozent von 40 auf 60 Prozent verbessern zu können.

CATL hat bekannt gegeben, dass sein neuestes Cell-to-Pack-Design eine Volumenausnutzung von 72 Prozent erreichen könnte. Zu Beginn des Jahres 2022 hatte CATL angekündigt, dass seine LFP-Packs 160 Wh/kg und 290 Wh/l erreichen könnten, womit sie mit ihren NMC-Pendants wettbewerbsfähig wären. Die Energiedichte zu maximieren kann dazu beitragen, den größten Nachteil der preiswerteren LFP-Zellen auszugleichen. Zugleich eröffnet dies einen Weg zu preiswerteren Batterien mit großer Reichweite. Allerdings bringen diese Batterietypen folgenden Nachteil mit sich: Sie sind weniger wartungsfreundlich, weshalb sie sich in Nutzfahrzeugen nur begrenzt einsetzen lassen.

Intelligentere Batterie-Management-Systeme

Bessere Batterie-Management-Systeme (BMS) können eine Möglichkeit sein, mehrere Aspekte der Leistungsfähigkeit von Batterien zu verbessern, ohne dass damit die Herausforderungen einer Materialentwicklung verbunden sind. Qnovo zeigt beispielsweise auf, wie ihre BMS-Software und -Analysen dazu beitragen können, gleichzeitig die Sicherheit, die Zyklusdauer und die Ladezeit zu verbessern und die nutzbare Kapazität einer Batterie zu erhöhen. Möglich macht dies eine Kombination aus Batteriedaten und Impedanzmessungen, die in physikalische Modelle von Lithium-Ionen-Zellen einfließen, die wiederum dazu dienen, Betrieb und Ladeprozesse zu optimieren. Ein weiterer Anwendungsfall für BMS könnte darin bestehen, Batteriefehler zu erkennen. Angesichts der jüngsten Rückrufaktionen für Elektroautos könnte dies äußerst nützlich sein.

Abgesehen von Elektrofahrzeugen wäre ein verbessertes BMS auch für andere Anwendungsbereiche wie Smartphones oder Elektrowerkzeuge sehr wertvoll. Die für das OnePlus 10T beworbene Schnellladung von 1 auf 100 Prozent in 19 Minuten ist teilweise durch intelligentere Ladealgorithmen und ein effizienteres Wärmemanagement möglich. Neben dieser Schnellladefähigkeit wirbt OnePlus auch mit einer Zyklenlebensdauer von 1600 Zyklen, die über die typische Zyklenlebensdauer von LCO-Batterien (Lithium-Cobalt-Oxid) und solchen für Unterhaltungselektronik hinausgeht. Während bei der Zellentwicklung häufig Kompromisse zwischen den Schlüsselmerkmalen Energiedichte, Zyklenlebensdauer, Schnellladung und Sicherheit notwendig sind, könnten verbesserte BMS bei allen diesen Merkmalen Vorteile bringen.

Letztendlich gibt es mehrere Wege, um die Leistungsfähigkeit und die Kosten von Batterien zu verbessern. Es gibt noch weitere, die hier nicht diskutiert worden sind. Auch wenn einige Entwicklungen vielleicht nur inkrementelle Vorteile bieten, dürften sie zusammengenommen die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien weiter vorantreiben.


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