Forscher der University of California San Diego (UCSD) haben einen Bericht veröffentlicht, welcher sich mit vier Herausforderungen beschäftigt, welche angegangen werden müssen, um die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien voranzutreiben. Der Artikel fasst die Arbeit des Teams zur Bewältigung dieser Herausforderungen in den letzten drei Jahren zusammen, über die in mehreren von Fachleuten begutachteten Artikeln in verschiedenen Zeitschriften berichtet wurde.
Die Forscher konzentrieren sich auf anorganische Festelektrolyte wie keramische Oxide oder Sulfidgläser. Anorganische Festelektrolyte sind eine relativ neue Klasse von Festelektrolyten für All-Solid-State-Batterien (im Gegensatz zu organischen Festelektrolyten, die umfangreicher erforscht werden). Die vier großen Herausforderungen lassen sich hierbei wie folgt beschreiben:
- Schaffung stabiler chemischer Grenzflächen von Festelektrolyten
- Neue Werkzeuge für die Diagnose und Charakterisierung von Operanden
- Skalierbare und kostengünstige Herstellbarkeit
- Batterien, die für umfassendes Recycling ausgelegt sind
Aus Sicht des UCSD sei es entscheidend, dass man über sämtliche dieser vier Herausforderungen nachdenkt, da diese gleichzeitig angegangen werden müssen, um die Festkörperbatterie-Kommerzialisierung voranzutreiben. Da eben diese unterschiedlichen Punkte alle miteinander verbunden seien. „Wenn wir das Versprechen von All-Solid-State-Batterien einlösen wollen, müssen wir Lösungen finden, die all diese Herausforderungen gleichzeitig angehen“, so Shirley Meng, Professorin für Nanotechnik an der UCSD Jacobs School of Engineering. Meng äußerte sich zu den einzelnen Herausforderungen. Die wichtigsten Erkenntnisse haben wir nachfolgend aufbereitet.
Schaffung stabiler chemischer Festkörperelektrolyt-Grenzflächen
Die heutigen modernen Festkörperelektrolyte weisen Leitfähigkeiten auf, die sogar die der konventionellen flüssigen Elektrolyte, die in den heutigen Batterien verwendet werden, übertreffen. Die Ionenleitfähigkeit bezieht sich darauf, wie schnell sich die Lithium-Ionen im Elektrolyten bewegen können. Die meisten hochleitfähigen Festelektrolyte sind oft elektrochemisch instabil und haben Probleme, wenn sie gegen die in Batterien verwendeten Elektrodenmaterialien aufgebracht werden.
An diesem Punkt sollte man laut Meng den Schwerpunkt auf Suche nach höherer Ionenleitfähigkeit weg verlagern. Stattdessen sollte man sich auf die Stabilität zwischen Festkörperelektrolyten und Elektroden konzentrieren. Forscher an der UC San Diego haben sich kürzlich mit diesem Engpass bei der Grenzflächenstabilität befasst und gezeigt, wie man die Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche stabilisieren und die Batterieleistung verbessern kann, indem man Festelektrolyte mit mäßiger Ionenleitfähigkeit verwendet, die jedoch stabile Grenzflächen aufweisen.
Neue Werkzeuge für die Diagnose und Charakterisierung von Operanden
Warum versagen Batterien? Warum kommt es zu einem Kurzschluss? Um zu verstehen, was in einer Batterie vor sich geht, ist eine Charakterisierung bis in den Nanobereich erforderlich, idealerweise in Echtzeit. Bei Festkörperbatterien ist dies eine große Herausforderung. Hierzu muss man verstehen, dass zur Charakterisierung von Batterien auf Röntgenstrahlen oder Elektronen- oder Lichtmikroskopie zurückgegriffen wird. In kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien sind die verwendeten flüssigen Elektrolyte transparent, was die Beobachtung verschiedener Phänomene an den jeweiligen Elektroden ermöglicht.
Bei reinen Festkörperbatterien wird dies eher schwierig, da man auf eine Art Wand stößt, wenn man die gleichen Techniken für die Diagnose / Charakterisierung der Batterien verwenden will. Darüber hinaus können Festelektrolyte und Lithiummetall, die in Festkörperbatterien verwendet werden, empfindlich auf Schäden durch Elektronenstrahlen reagieren. Eine Möglichkeit diese Herausforderungen zu meistern, ist die Verwendung kryogener Methoden, um die Batteriematerialien kühl zu halten und ihre Zersetzung unter der elektronenmikroskopischen Sonde zu mildern.
Ein weiteres Werkzeug zur Überwindung der Hindernisse bei der Charakterisierung von Festelektrolyt-Grenzflächen ist die Röntgentomographie. Diese ist ähnlich wie die, die der Mensch während seiner Gesundheitsuntersuchungen durchläuft.
Skalierbare und kostengünstige Herstellbarkeit
Durchbrüche in der Batterieforschung bedeuten oft nicht viel, wenn sie nicht skalierbar sind. Dazu gehören auch Fortschritte bei Festkörper-Batterien. Komponenten für Batterien müssen kostengünstiger und in größerem Maßstab hergestellt werden können. Leider sind viele dieser vielversprechenden Materialien entweder zu kostspielig oder zu schwierig für die Herstellung in großen Mengen zu vergrößern. Darüber hinaus sind Methoden zur Herstellung von Festelektrolyten in größerem Maßstab nicht gut etabliert. So erfordern die meisten Syntheseprotokolle beispielsweise mehrere energetische Prozesse, die mehrfaches Fräsen, thermisches Glühen und Lösungsverarbeitungsschritte umfassen.
Batterien, die für umfassendes Recycling ausgelegt sind
Neben der hohen Skalierbarkeit in der Produktion der Festkörperbatterien wird es entscheidend sein ein funktionierendes Recycling-System umzusetzen. Dieses muss es ermöglichen begrenzt verfügbare Materialien wie Lithium und Kobalt, die wiederverwendet werden können, entsprechend zurückzugewinnen. Die heutigen Recycling-Methoden sind jedoch oft teuer, energie- und zeitintensiv und beinhalten giftige Chemikalien für die Verarbeitung. Darüber hinaus wird bei diesen Methoden nur ein kleiner Teil der Batteriematerialien zurückgewonnen, da die Recyclingraten für Elektrolyte, Lithiumsalze, Separatoren, Additive und Verpackungsmaterialien niedrig sind. Dies liegt zum großen Teil daran, dass die heutigen Batterien nicht von Anfang an mit Blick auf eine kosteneffiziente Recyclingfähigkeit entwickelt wurden.
Kostengünstige Recyclingfähigkeit müsse in die zukünftigen Fortschritte eingebracht werden. Dabei sei es entscheidend, dass „wir nicht die gleichen Fehler bei der Recyclingfähigkeit machen, die bei Lithium-Ionen-Batterien gemacht wurden“ so Zheng Chen, UCSD-Professor für Nanotechnik. Vielmehr sei es von großer Bedeutung, dass Batterien mit Blick auf ihren gesamten Lebenszyklus entworfen werden. Dies bedeutet, dass Batterien so konzipiert werden müssen, dass sie auch dann noch lange in Gebrauch bleiben, wenn sie unter die 60 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität fallen, die oft das Ende der Lebensdauer einer Batterie markiert. Dies kann erreicht werden, indem man die sekundäre Verwendung von Batterien, wie z.B. stationäre Lagerung oder Notstromversorgung, erforscht und ihre Lebensdauer verlängert, bevor sie schließlich in die Recyclingzentren gelangen.
Quelle: GreenCarCongress – UCSD team offers roadmap of four challenges for solid-state battery commercialization
Mal gespannt, wann die erste brauchbare Festkörper-Batterie auf den Markt kommt. Der Versuch von Samsung (1000 Ladezyklen bei unbekannter kalendarischer Lebensdauer) überzeugt noch nicht wirklich und dürfte auch erst in zwei Jahren die Serienreife erreicht haben.
Die Festkörper-Batterie könnte der E-Mobilität zum Durchbruch verhelfen, wenn die kalendarischer Lebensdauer 20 Jahre beträgt und die Nachteile im Winter passé sind.
Die begrenzte Lebensdauer der heutigen Batterie macht den E-Autokauf zum Risiko. Wenn die Batterien nach 8 bis 12 Jahren hin sind, dann gibt es keinen Ersatz mehr, weil diese veraltete Zellchemie gar nicht mehr am Markt verfügbar sein wird und ein Upgrade weit über den Restwert eines E-Fahrzeugs hinausgehen würde. Mit diesem Problem wird sich die Mehrheit der Gebrauchtwagenkäufer kaum für die E-Mobilität begeistern!