China setzt mit technologischen Durchbrüchen auf die nächste Generation von Festkörperbatterien

Ein Teil einer Lithium-Metall-Festkörperbatterie in Yibin in der südwestchinesischen Provinz Sichuan. 2. September 2024. (Foto: Xinhua/Tang Wenhao)

In einem bedeutenden Fortschritt, der die Zukunft von Elektrofahrzeugen verändern könnte, haben chinesische Forscher einen Defekt entdeckt, der bei Lithium-Festkörperbatterien zu Ausfällen führt.

Festkörperbatterien gelten als eine der vielversprechendsten Lösungen des kommenden Jahrzehnts und könnten die Energiespeicherung revolutionieren. Die größte Herausforderung besteht derzeit jedoch noch darin, die technischen Hürden zu überwinden.

Suche nach der grundlegenden Ursache

Im Gegensatz zu den in herkömmlichen Batterien verwendeten flüssigen Elektrolyten können feste Elektrolyte Belastungen, die durch die Ausdehnung und Kontraktion des Lithiums während der Ladezyklen verursacht werden, nur schwer absorbieren.

Diese Spannungen können zu Rissen oder zur Bildung von Dendriten – winzigen, nadelartigen Strukturen, die Kurzschlüsse auslösen können – führen und stellen somit eine große Herausforderung für die Industrialisierung der Technologie dar.

In ihrer neuen Studie stellten die Forscher der Tongji-Universität und der Huazhong University of Science and Technology fest, dass Ausfälle von Festkörperbatterien eng mit der Zyklusermüdung der Lithium-Metall-Anode zusammenhängen.

Sie stellten außerdem fest, dass diese Ermüdung klar definierten mechanischen Prinzipien folgt, so wie das wiederholte Biegen einer Büroklammer diese schwächt, bis sie schließlich bricht.

Diese Entdeckung, die am Freitag in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht wurde, bietet einen quantitativen Rahmen für die Vorhersage von Batterielebenszyklen und eröffnet neue Wege für die Entwicklung langlebigerer Energiespeichersysteme.

Batterierevolution

Festkörperbatterien, in denen sich feste statt flüssige Elektrolyte befinden, erreichen eine deutlich höhere Energiedichte (bis zu 500 Wh/kg) als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien (200–300 Wh/kg). Dies liefert mehr Energie bei gleichem Volumen und reduziert die Batteriegröße.

Diese Batterien zeichnen sich außerdem durch eine bessere thermische Stabilität und Nichtentflammbarkeit aus, und es besteht keine Gefahr des Austretens von Flüssigkeiten, was die Gefahr der Selbstentzündung und Explosion erheblich verringert.

Ouyang Minggao, Experte für neue Energiesysteme und Professor an der Tsinghua-Universität, sagt voraus, dass das Erreichen einer Energiedichte von 500 Wh/kg von entscheidenden Fortschritten in der Materialwissenschaft abhängen wird, wobei das Jahr 2027 ein entscheidendes Jahr für bahnbrechende Innovationen sein dürfte.

Die chinesischen Batteriegiganten CATL und BYD haben sich das Jahr 2027 als Ziel für die Kleinserienproduktion von Feststoffbatterien gesetzt. 

Das Shenzhen Institute of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat eine Kooperationsvereinbarung mit BYD unterzeichnet, die sich auf zukunftsweisende Bereiche wie Festkörperbatterien konzentriert.

Sun Huajun, technischer Leiter der Batteriesparte von BYD, prognostiziert, dass Festkörperbatterien um das Jahr 2030 großflächig Anwendung finden werden.

Chinas Vorsprung bei der Massenproduktion von Festkörperbatterien liegt in der enormen Größe seiner Industrie und seines Marktes.

„Mit der umfassendsten Industriekette, dem größten Markt und den meisten Forschern sind wir sehr zuversichtlich, was Chinas Ansatz und Fahrplan für diese Technologie angeht“, sagt Zu Sijie, Vice President von SAIC Motor.