Wie wir zum nächsten großen Batteriedurchbruch kommen

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Elektrische Flugzeuge könnten die Zukunft der Luftfahrt sein. Theoretisch werden sie viel leiser, billiger und sauberer sein als die Flugzeuge, die wir heute haben. Elektroflugzeuge mit einer Reichweite von 1.000 km (620 Meilen) mit einer einzigen Ladung könnten für die Hälfte aller heutigen kommerziellen Flugzeugflüge eingesetzt werden und die Kohlenstoffemissionen der globalen Luftfahrt um etwa 15 % reduzieren.

Es ist die gleiche Geschichte mit Elektroautos. Ein Elektroauto ist nicht einfach eine sauberere Version seines umweltverschmutzenden Vetters. Es ist im Grunde genommen ein besseres Auto: Sein Elektromotor macht wenig Lärm und reagiert blitzschnell auf die Entscheidungen des Fahrers. Das Aufladen eines Elektroautos kostet viel weniger als das Tanken einer entsprechenden Menge Benzin. Elektroautos können mit einem Bruchteil an beweglichen Teilen gebaut werden, was sie billiger in der Wartung macht.

Warum sind Elektroautos also nicht schon überall? Das liegt daran, dass die Batterien teuer sind, was die Anschaffungskosten eines Elektroautos viel höher macht als die eines vergleichbaren benzinbetriebenen Modells. Und wenn Sie nicht viel fahren, gleichen die Einsparungen beim Benzinverbrauch nicht immer die höheren Anschaffungskosten aus. Kurz gesagt, Elektroautos sind immer noch nicht wirtschaftlich.

Gleichermaßen bieten die aktuellen Batterien nicht genug Energie in Bezug auf Gewicht oder Volumen, um Passagierflugzeuge anzutreiben. Wir brauchen noch fundamentale Durchbrüche in der Batterietechnologie, bevor das Realität wird.

Batteriebetriebene tragbare Geräte haben unser Leben verändert. Aber es gibt noch viel mehr, was Batterien stören können, wenn nur sicherere, leistungsfähigere und energiedichte Batterien billig hergestellt werden könnten. Kein physikalisches Gesetz schließt ihre Existenz aus.

Und dennoch, trotz mehr als zwei Jahrhunderten intensiver Forschung seit der Erfindung der ersten Batterie im Jahr 1799, verstehen Wissenschaftler immer noch nicht ganz die Grundlagen dessen, was genau im Inneren dieser Geräte passiert. Was wir wissen, ist, dass es im Wesentlichen drei Probleme zu lösen gibt, damit Batterien unser Leben wieder einmal wirklich verändern können: Leistung, Energie und Sicherheit.

Es gibt keine Einheitsgröße für Lithium-Ionen-Batterien

Jede Batterie hat zwei Elektroden: eine Kathode und eine Anode. Die meisten Anoden von Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus Graphit, aber Kathoden werden aus verschiedenen Materialien hergestellt, je nachdem, wofür die Batterie verwendet werden soll. Unten sehen Sie, wie unterschiedliche Kathodenmaterialien die Leistung von Batterietypen bei sechs Messungen verändern.

Die Energie-Herausforderung

Im allgemeinen Sprachgebrauch, werden die Begriffe „Energie“ und „Leistung“ austauschbar verwendet, aber es ist wichtig, zwischen ihnen zu unterscheiden, wenn man über Batterien spricht. Leistung ist die Geschwindigkeit, mit der Energie freigesetzt werden kann.

Eine Batterie, die stark genug ist, um ein Verkehrsflugzeug zu starten und über 1.000 km in der Luft zu halten, erfordert eine Menge Energie, die in sehr kurzer Zeit freigesetzt werden muss, vor allem während des Starts. Es geht also nicht nur darum, viel Energie zu speichern, sondern auch die Fähigkeit zu haben, diese Energie sehr schnell zu extrahieren.

Um die Energieherausforderung zu meistern, müssen wir in die Blackbox der kommerziellen Batterien schauen. Es wird ein wenig nerdig, aber haben Sie Geduld mit mir. Neue Batterietechnologien werden oft überbewertet, weil die meisten Leute nicht genau genug auf die Details achten.

Die modernste Batteriechemie, die wir derzeit haben, ist Lithium-Ionen. Die meisten Experten sind sich einig, dass keine andere Chemie die Lithium-Ionen-Batterie für mindestens ein weiteres Jahrzehnt oder länger verdrängen wird. Eine Lithium-Ionen-Batterie hat zwei Elektroden (Kathode und Anode) mit einem Separator (ein Material, das Ionen, aber keine Elektronen leitet, um Kurzschlüsse zu verhindern) in der Mitte und einem Elektrolyt (normalerweise eine Flüssigkeit), um den Fluss der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden zu ermöglichen. Wenn eine Batterie aufgeladen wird, wandern die Ionen von der Kathode zur Anode; wenn die Batterie etwas mit Strom versorgt, bewegen sich die Ionen in die entgegengesetzte Richtung.

Stellen Sie sich zwei Laibe geschnittenes Brot vor. Jeder Laib ist eine Elektrode: der linke ist die Kathode und der rechte ist die Anode. Nehmen wir an, dass die Kathode aus Scheiben von Nickel, Mangan und Kobalt (NMC) besteht – eine der besten in der Klasse – und dass die Anode aus Graphit besteht, das im Wesentlichen aus geschichteten Blättern oder Scheiben von Kohlenstoffatomen besteht.

Im entladenen Zustand – d.h. nachdem ihm die Energie entzogen wurde – hat der NMC-Laib Lithium-Ionen zwischen jeder Scheibe eingeschlossen. Wenn die Batterie geladen wird, wird jedes Lithium-Ion zwischen den Scheiben herausgezogen und gezwungen, durch den flüssigen Elektrolyten zu wandern. Der Separator fungiert als Kontrollpunkt, der sicherstellt, dass nur Lithium-Ionen in den Graphit-Laib gelangen. Wenn die Batterie vollständig aufgeladen ist, befinden sich keine Lithium-Ionen mehr auf dem Kathoden-Laib; sie sind alle sauber zwischen den Scheiben des Graphit-Laibs eingebettet. Wenn die Energie der Batterie verbraucht wird, wandern die Lithium-Ionen zurück zur Kathode, bis in der Anode keine mehr vorhanden sind. Dann muss die Batterie wieder aufgeladen werden.

Die Leistung der Batterie wird im Wesentlichen dadurch bestimmt, wie schnell dieser Prozess abläuft. Aber es ist nicht so einfach, die Geschwindigkeit zu erhöhen. Zieht man die Lithium-Ionen zu schnell aus der Kathode, können die Scheiben Fehler entwickeln und schließlich kaputt gehen. Das ist ein Grund, warum die Lebensdauer der Batterien umso schlechter wird, je länger wir unser Smartphone, unseren Laptop oder unser Elektroauto benutzen. Jede Ladung und Entladung lässt den Laib ein bisschen schwächer werden.

Verschiedene Unternehmen arbeiten an Lösungen für das Problem. Eine Idee ist, die geschichteten Elektroden durch etwas strukturell Stärkeres zu ersetzen. Das 100 Jahre alte Schweizer Batterieunternehmen Leclanché arbeitet zum Beispiel an einer Technologie, die Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), das eine „Olivin“-Struktur hat, als Kathode und Lithium-Titanat-Oxid (LTO), das eine „Spinell“-Struktur hat, als Anode verwendet. Diese Strukturen können den Fluss der Lithium-Ionen in und aus dem Material besser handhaben.

Leclanché setzt seine Batteriezellen derzeit in autonomen Lagerhaus-Gabelstaplern ein, die in neun Minuten auf 100 % geladen werden können. Zum Vergleich: Der beste Tesla-Supercharger kann eine Tesla-Autobatterie in 10 Minuten auf etwa 50 % aufladen. Leclanché setzt seine Batterien auch in Großbritannien für schnellladende Elektroautos ein. Diese Batterien sitzen an der Ladestation und ziehen über einen langen Zeitraum langsam kleine Strommengen aus dem Netz, bis sie vollständig geladen sind. Wenn dann ein Auto andockt, laden die Batterien der Ladestation die Batterie des Autos schnell auf. Wenn das Auto abfährt, wird die Batterie der Station wieder aufgeladen.

Vorhaben wie das von Leclanché zeigen, dass es möglich ist, an der Batteriechemie zu basteln, um ihre Leistung zu erhöhen. Dennoch hat noch niemand eine Batterie gebaut, die stark genug ist, um schnell die Energie zu liefern, die ein kommerzielles Flugzeug braucht, um die Schwerkraft zu überwinden. Startups versuchen, kleinere Flugzeuge (mit bis zu 12 Sitzplätzen) zu bauen, die mit Batterien mit relativ geringer Energiedichte fliegen könnten, oder Elektro-Hybrid-Flugzeuge, bei denen das Kerosin die schwere Arbeit übernimmt und die Batterien das Rollen.

Aber es gibt wirklich kein Unternehmen, das in diesem Bereich arbeitet, das auch nur annähernd kommerziell ist. Außerdem wird der Technologiesprung, der für ein vollelektrisches Verkehrsflugzeug erforderlich ist, wahrscheinlich Jahrzehnte dauern, sagt Venkat Viswanathan, ein Batterieexperte an der Carnegie Mellon University.

Reuters/Alister Doyle

Die Energie-Herausforderung

Das Tesla Model 3, das günstigste Modell des Unternehmens, beginnt bei 35.000 Dollar. Es wird mit einer 50-kWh-Batterie betrieben, die etwa 8.750 Dollar kostet, also 25 % des Gesamtpreises des Autos.

Das ist immer noch erstaunlich günstig im Vergleich zu vor nicht allzu langer Zeit. Laut Bloomberg New Energy Finance lagen die durchschnittlichen globalen Kosten für Lithium-Ionen-Batterien im Jahr 2018 bei etwa 175 US-Dollar pro kWh – im Vergleich zu fast 1.200 US-Dollar pro kWh im Jahr 2010.

Das US-Energieministerium rechnet vor, dass der Besitz und Betrieb eines Elektroautos in den meisten Teilen der Welt billiger sein wird als ein gasbetriebenes Auto, sobald die Batteriekosten unter 125 US-Dollar pro kWh fallen. Das bedeutet nicht, dass sich Elektrofahrzeuge in allen Nischen und Bereichen gegenüber gasbetriebenen Fahrzeugen durchsetzen werden – beispielsweise gibt es für Langstrecken-Lkw noch keine elektrische Lösung. Aber es ist ein Wendepunkt, an dem die Menschen anfangen werden, Elektroautos zu bevorzugen, einfach weil sie in den meisten Fällen wirtschaftlich sinnvoller sind.

Ein Weg dorthin ist die Erhöhung der Energiedichte von Batterien – mehr kWh in ein Batteriepaket zu packen, ohne den Preis zu senken. Batteriechemiker können das theoretisch erreichen, indem sie die Energiedichte entweder der Kathode oder der Anode oder beider erhöhen.

Die energiedichteste Kathode auf dem Weg zur kommerziellen Verfügbarkeit ist NMC 811 (jede Ziffer in der Zahl steht für das Verhältnis von Nickel, Mangan bzw. Kobalt in der Mischung). Sie ist noch nicht perfekt. Das größte Problem ist, dass es nur eine relativ geringe Anzahl von Lade-Entlade-Lebenszyklen aushalten kann, bevor es aufhört zu funktionieren. Aber Experten sagen voraus, dass die Industrie R&D die Probleme des NMC 811 innerhalb der nächsten fünf Jahre lösen sollte. Wenn das passiert, werden Batterien, die NMC 811 verwenden, eine um 10 % oder mehr höhere Energiedichte haben.

Allerdings sind 10 % Steigerung im Großen und Ganzen nicht viel.

Und während eine Reihe von Innovationen in den letzten Jahrzehnten die Energiedichte von Kathoden immer weiter nach oben getrieben hat, liegen die größten Möglichkeiten für die Energiedichte bei Anoden.

Graphit war und bleibt das bei weitem dominierende Anodenmaterial. Es ist billig, zuverlässig und hat eine relativ hohe Energiedichte, vor allem im Vergleich zu aktuellen Kathodenmaterialien. Aber es ist ziemlich schwach, wenn man es mit anderen potenziellen Anodenmaterialien wie Silizium und Lithium vergleicht.

Silizium zum Beispiel ist theoretisch viel besser darin, Lithium-Ionen zu absorbieren als Graphit. Deshalb versuchen einige Batteriehersteller, dem Graphit in ihren Anoden-Designs etwas Silizium beizumischen; Tesla-CEO Elon Musk hat gesagt, dass sein Unternehmen dies bereits in seinen Lithium-Ionen-Batterien tut.

Ein größerer Schritt wäre es, eine kommerziell nutzbare Anode zu entwickeln, die komplett aus Silizium besteht. Doch das Element hat Eigenschaften, die dies schwierig machen. Wenn Graphit Lithium-Ionen aufnimmt, ändert sich sein Volumen kaum. Eine Siliziumanode hingegen quillt im gleichen Szenario auf das Vierfache ihres ursprünglichen Volumens auf.

Dummerweise kann man das Gehäuse nicht einfach größer machen, um diese Quellung auszugleichen, denn durch die Ausdehnung bricht die so genannte „Festelektrolyt-Interphase“ (SEI) der Siliziumanode auseinander.

Die SEI kann man sich als eine Art Schutzschicht vorstellen, die die Anode für sich selbst bildet, ähnlich wie Eisen Rost bildet, auch bekannt als Eisenoxid, um sich vor den Elementen zu schützen: Wenn man ein Stück frisch geschmiedetes Eisen draußen liegen lässt, reagiert es langsam mit dem Sauerstoff in der Luft zu Rost. Unter der Rostschicht erleidet der Rest des Eisens nicht das gleiche Schicksal und behält so seine strukturelle Integrität.

Am Ende der ersten Ladung einer Batterie bildet die Elektrode ihre eigene „Rost“-Schicht – das SEI – und trennt den nicht erodierten Teil der Elektrode vom Elektrolyten. Die SEI verhindert, dass weitere chemische Reaktionen die Elektrode aufbrauchen und stellt sicher, dass die Lithium-Ionen so reibungslos wie möglich fließen können.

Bei einer Siliziumanode bricht die SEI jedoch jedes Mal auseinander, wenn die Batterie zum Betrieb von etwas verwendet wird, und bildet sich bei jedem Ladevorgang neu. Und bei jedem Ladezyklus wird ein kleines Stück Silizium verbraucht. Irgendwann ist das Silizium so verbraucht, dass die Batterie nicht mehr funktioniert.

Im letzten Jahrzehnt haben einige Startups im Silicon Valley daran gearbeitet, dieses Problem zu lösen. Der Ansatz von Sila Nano beispielsweise besteht darin, Siliziumatome in einer nanogroßen Hülle mit viel leerem Raum im Inneren zu umschließen. Auf diese Weise wird die SEI an der Außenseite der Schale gebildet und die Ausdehnung der Siliziumatome erfolgt im Inneren, ohne dass die SEI nach jedem Lade-Entlade-Zyklus zerbricht. Das Unternehmen, das mit 350 Millionen Dollar bewertet wird, sagt, dass seine Technologie bereits 2020 Geräte mit Strom versorgen kann.

Enovix hingegen wendet eine spezielle Fertigungstechnik an, um eine 100-prozentige Siliziumanode unter enormen physikalischen Druck zu setzen, wodurch sie gezwungen wird, weniger Lithium-Ionen zu absorbieren, was die Ausdehnung der Anode einschränkt und das Zerbrechen des SEI verhindert. Das Unternehmen wird von Intel und Qualcomm unterstützt und erwartet, dass seine Batterien bis 2020 in Geräten eingesetzt werden können.

Diese Kompromisse bedeuten, dass die Siliziumanode ihre theoretisch hohe Energiedichte nicht erreichen kann. Dennoch sagen beide Firmen, dass ihre Anoden besser funktionieren als eine Graphitanode. Dritte testen derzeit die Batterien beider Firmen.

Tesla

Die Herausforderung für die Sicherheit

All die molekulare Tüftelei, um mehr Energie in die Batterien zu packen, kann auf Kosten der Sicherheit gehen. Seit ihrer Erfindung hat die Lithium-Ionen-Batterie für Kopfzerbrechen gesorgt, weil sie so oft Feuer fängt. In den 1990er Jahren brachte das kanadische Unternehmen Moli Energy eine Lithium-Metall-Batterie für den Einsatz in Telefonen auf den Markt. Aber in der realen Welt fingen die Batterien Feuer, und Moli war gezwungen, eine Rückrufaktion durchzuführen und schließlich Konkurs anzumelden. (Einige seiner Vermögenswerte wurden von einem taiwanesischen Unternehmen aufgekauft und es verkauft immer noch Lithium-Ionen-Batterien unter dem Markennamen E-One Moli Energy). In jüngerer Zeit begannen Samsungs Galaxy Note 7-Smartphones, die mit modernen Lithium-Ionen-Akkus hergestellt wurden, in den Taschen der Menschen zu explodieren. Die daraus resultierende Rückrufaktion 2016 kostete den südkoreanischen Riesen 5,3 Milliarden Dollar.

Auch heutige Lithium-Ionen-Akkus bergen Risiken, da sie fast immer brennbare Flüssigkeiten als Elektrolyt verwenden. Es ist eine (für uns Menschen) unglückliche Eigenart der Natur, dass Flüssigkeiten, die leicht Ionen transportieren können, auch eine niedrigere Schwelle haben, Feuer zu fangen. Eine Lösung ist die Verwendung fester Elektrolyte. Aber das bedeutet andere Kompromisse. Ein Batteriedesign kann leicht einen flüssigen Elektrolyten enthalten, der mit jedem Teil der Elektroden in Kontakt ist – und so Ionen effizient transportieren kann. Bei Festkörpern ist das viel schwieriger. Stellen Sie sich vor, Sie lassen ein Paar Würfel in eine Tasse mit Wasser fallen. Nun stellen Sie sich vor, Sie lassen die gleichen Würfel in eine Tasse mit Sand fallen. Offensichtlich wird das Wasser viel mehr Oberfläche der Würfel berühren als der Sand.

Bislang war der kommerzielle Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien mit Festelektrolyten auf Anwendungen mit geringem Stromverbrauch beschränkt, wie z. B. für Sensoren, die mit dem Internet verbunden sind. Die Bemühungen, Festkörperbatterien – also solche, die keinen flüssigen Elektrolyten enthalten – zu verbessern, lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: feste Polymere bei hohen Temperaturen und Keramiken bei Raumtemperatur.

Feste Polymere bei hohen Temperaturen

Polymere sind lange Ketten von miteinander verbundenen Molekülen. Sie sind in alltäglichen Anwendungen weit verbreitet – Einweg-Plastiktüten werden zum Beispiel aus Polymeren hergestellt. Wenn einige Arten von Polymeren erhitzt werden, verhalten sie sich wie Flüssigkeiten, jedoch ohne die Entflammbarkeit der flüssigen Elektrolyte, die in den meisten Batterien verwendet werden. Mit anderen Worten, sie haben die hohe Ionenleitfähigkeit wie ein flüssiger Elektrolyt ohne die Risiken.

Aber sie haben Einschränkungen. Sie können nur bei Temperaturen über 105°C arbeiten, was bedeutet, dass sie keine praktische Option für z.B. Smartphones sind. Aber sie können für die Speicherung von Energie aus dem Stromnetz verwendet werden, zum Beispiel in Hausbatterien. Mindestens zwei Unternehmen – SEEO in den USA und Bolloré in Frankreich – entwickeln Festkörperbatterien, die Hochtemperatur-Polymere als Elektrolyt verwenden.

Keramik bei Raumtemperatur

Im letzten Jahrzehnt haben zwei Klassen von Keramiken – LGZO (Lithium-, Lanthan- und Zirkoniumoxid) und LGPS (Lithium-, Germanium-, Phosphorsulfid) – bewiesen, dass sie Ionen bei Raumtemperatur fast genauso gut leiten können wie Flüssigkeiten.

Toyota sowie das Silicon-Valley-Startup QuantumScape (das im vergangenen Jahr 100 Millionen Dollar von Volkswagen erhalten hat) arbeiten beide an der Verwendung von Keramik in Lithium-Ionen-Batterien. Die Einbeziehung der großen Player in diesem Bereich ist ein Indiz dafür, dass ein Durchbruch näher sein könnte, als viele denken.

„Wir sind ziemlich nah dran, in zwei oder drei Jahren etwas Reales zu sehen“, sagt Viswanathan von Carnegie Mellon.

Ein Balanceakt

Batterien sind bereits ein großes Geschäft, und der Markt für sie wächst ständig. All das Geld zieht eine Menge Unternehmer mit noch mehr Ideen an. Aber Batterie-Startups sind eine schwierige Angelegenheit – sie verpuffen sogar noch häufiger als Software-Unternehmen, die für ihre hohe Misserfolgsrate bekannt sind. Das liegt daran, dass Innovation in den Materialwissenschaften schwierig ist.

Bisher haben Batteriechemiker festgestellt, dass sie, wenn sie versuchen, eine Eigenschaft zu verbessern (z. B. die Energiedichte), Kompromisse bei einer anderen Eigenschaft eingehen müssen (z. B. der Sicherheit). Diese Art von Balanceakt bedeutete, dass der Fortschritt an jeder Front langsam und mit Problemen behaftet war.

Aber mit mehr Augen auf das Problem – Yet-Ming Chiang vom MIT schätzt, dass es heute dreimal so viele Batterieforscher in den USA gibt wie noch vor 10 Jahren – steigen die Chancen auf Erfolg. Das Potenzial von Batterien ist nach wie vor riesig, aber angesichts der bevorstehenden Herausforderungen ist es besser, jede Behauptung über neue Batterien mit einer gehörigen Portion Skepsis zu betrachten.