Hat QuantumScape gerade ein 40 Jahre altes Batterieproblem gelöst?

Wenn Elektrofahrzeuge jemals die Benzinschlucker auf den Straßen der Welt vollständig verdrängen sollen, brauchen sie einen völlig neuen Batterietyp. Trotz ständiger Verbesserungen der Energiedichte und der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien in den letzten zehn Jahren liegen die Zellen in neuen Elektrofahrzeugen bei so ziemlich allen Leistungsmerkmalen noch immer hinter Verbrennungsmotoren zurück. Die meisten Elektroautos haben eine Reichweite von weniger als 300 Meilen, das Aufladen der Akkus dauert mehr als eine Stunde, die Zellen verlieren innerhalb eines Jahrzehnts fast ein Drittel ihrer Kapazität, und sie stellen aufgrund ihrer brennbaren Materialien ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar.

Die Lösung für diese Probleme ist seit Jahrzehnten bekannt: Sie heißt Festkörperbatterie und basiert auf einer täuschend einfachen Idee. Anstelle eines herkömmlichen flüssigen Elektrolyten – der Stoff, der die Lithiumionen zwischen den Elektroden transportiert – wird ein fester Elektrolyt verwendet. Außerdem besteht der negative Pol der Batterie, die so genannte Anode, aus reinem Lithiummetall. Diese Kombination würde die Energiedichte in die Höhe treiben, ein ultraschnelles Aufladen ermöglichen und das Risiko von Batteriebränden ausschließen. Doch in den letzten 40 Jahren ist es niemandem gelungen, eine Festkörperbatterie herzustellen, die dieses Versprechen einlöst – bis Anfang dieses Jahres ein geheimnisvolles Startup namens QuantumScape behauptete, das Problem gelöst zu haben. Jetzt hat es die Daten, um dies zu beweisen.

Am Dienstag hat der Mitbegründer und CEO von QuantumScape, Jagdeep Singh, zum ersten Mal öffentlich Testergebnisse für die Festkörperbatterie des Unternehmens veröffentlicht. Singh sagt, dass die Batterie alle Kernprobleme gelöst hat, die in der Vergangenheit die Festkörperbatterien geplagt haben, wie zum Beispiel die unglaublich kurze Lebensdauer und die langsame Ladegeschwindigkeit. Nach Angaben von QuantumScape kann die Zelle in 15 Minuten auf 80 Prozent der Kapazität aufgeladen werden, sie behält nach 800 Ladezyklen mehr als 80 Prozent ihrer Kapazität, ist nicht brennbar und hat eine volumetrische Energiedichte von mehr als 1.000 Wattstunden pro Liter auf Zellebene, was fast doppelt so hoch ist wie die Energiedichte von handelsüblichen Lithium-Ionen-Zellen.

„Wir glauben, dass wir die ersten sind, die eine Lösung für die Festkörpertechnik gefunden haben“, sagte Singh im Vorfeld der Ankündigung gegenüber WIRED. „Kein anderes Festkörpersystem kommt dem nahe.“

Die Batteriezelle von QuantumScape hat etwa die Größe und Dicke einer Spielkarte. Ihre Kathode, der positive Pol, besteht aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC), einer heute in EV-Batterien üblichen Chemie. Die negative Elektrode, die Anode, besteht aus reinem Lithiummetall – genauer gesagt hat sie gar keine Anode, da sie ohne eine solche hergestellt wird. Wenn sich die Batterie während des Gebrauchs entlädt, fließt das gesamte Lithium von der Anode zur Kathode. Die auf der Anodenseite verbleibende Lücke – dünner als ein menschliches Haar – wird vorübergehend wie eine Ziehharmonika zusammengedrückt. Der Prozess kehrt sich um, wenn die Batterie geladen wird, und die Lithiumionen strömen wieder in den Anodenraum.

„Dieses anodenfreie Design ist wichtig, weil es wahrscheinlich die einzige Möglichkeit ist, Lithium-Metall-Batterien mit den heutigen Produktionsanlagen herzustellen“, sagt Venkat Viswanathan, ein Maschinenbauingenieur, der an der Carnegie Mellon University an Lithium-Metall-Batterien arbeitet und technischer Berater von QuantumScape ist. „

Der Schlüssel zu QuantumScapes Durchbruch bei den Festkörperbatterien ist der flexible keramische Separator, der zwischen der Kathode und der Anode sitzt. Das ist das Material, das den „Festkörper“ im Festkörper ausmacht. Wie der flüssige Elektrolyt, der sich zwischen den Elektroden einer herkömmlichen Zelle befindet, besteht seine Hauptfunktion darin, die Lithiumionen beim Laden und Entladen der Batterie von einem Pol zum anderen zu transportieren. Der Unterschied besteht darin, dass der feste Separator auch als Barriere fungiert, die verhindert, dass sich Lithium-Dendriten – metallische Ranken, die sich während der Ladezyklen auf Lithium-Metall-Anoden bilden – zwischen die Elektroden schlängeln und einen Kurzschluss verursachen.

Mit freundlicher Genehmigung von Quantumscape

Venkat Srinivasan, der Direktor des Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, hat fast ein Jahrzehnt mit der Erforschung von Festkörperbatterien in dem nationalen Labor bei Chicago verbracht. Er sagt, dass es die mit Abstand größte Herausforderung war, ein Trennmaterial zu finden, das den freien Fluss der Lithiumionen zwischen den Elektroden ermöglicht und gleichzeitig die Dendriten blockiert. Normalerweise haben die Forscher entweder ein plastisches Polymer oder eine harte Keramik verwendet. Obwohl Polymere in Flüssigelektrolytbatterien das Trennmaterial der Wahl sind, eignen sie sich nicht für Festkörperzellen, da sie die Dendriten nicht blockieren. Und die meisten Keramiken, die für experimentelle Festkörperbatterien verwendet wurden, waren zu spröde, um mehr als ein paar Dutzend Ladezyklen zu überstehen.

„Diese Dendriten sind wie die Wurzel eines Baumes“, sagt Srinivasan, der nicht an der QuantumScape-Arbeit beteiligt war. „Das Problem, das wir zu lösen versuchen, ist, wie man dieses Wurzelsystem mechanisch mit etwas Festem vom Wachstum abhalten kann. Man kann nicht einfach irgendetwas hineinstecken, denn man muss Ionen hin- und herschieben. Wenn man das nicht tut, gibt es keine Batterie.“

Lithium-Ionen-Batterien sind komplexe Systeme, und der Grund für ihre mühsame Verbesserung im Laufe der Jahre ist, dass die Veränderung eines Teils einer Zelle oft Kaskadeneffekte hat, die ihre Leistung auf unvorhersehbare Weise verändern. Um eine bessere Batterie zu bauen, müssen die Forscher systematisch verschiedene Materialien untersuchen, bis sie etwas finden, das funktioniert, was eine unglaublich zeitaufwändige Aufgabe sein kann. Singh sagt, dass QuantumScape 10 Jahre und 300 Millionen Dollar in Forschung und Entwicklung investiert hat, bevor das Unternehmen einen Festkörper-Separator gefunden hat, der die Anforderungen erfüllt. Woraus er besteht, will er nicht verraten – das ist das Geheimnis des Unternehmens -, aber er sagt, das Material sei billig und leicht verfügbar. „Wir hatten keine göttliche Offenbarung, die uns sagte: ‚Dieses Material wird funktionieren, bau es'“, sagt Singh. „Wir mussten eine Menge Sackgassen durchlaufen. Aber die Natur hat ein Material bereitgestellt, das die Anforderungen erfüllt, und glücklicherweise konnten wir es durch unseren systematischen Suchprozess finden.“

Singh sagt, dass die QuantumScape-Batterie die Art von Leistungssprung ist, die Elektroautos in den Mainstream bringen wird. Er ist nicht der Einzige, der so denkt. Das Unternehmen zählt Bill Gates und Vinod Khosla zu seinen Investoren, und mehrere Batterie-Barone wie der Tesla-Mitbegründer J. B. Straubel sitzen im Vorstand. Einer der größten Geldgeber des Unternehmens ist Volkswagen, der größte Automobilhersteller der Welt, der mehr als 300 Millionen Dollar in QuantumScape investiert hat und plant, die Festkörperzellen ab 2025 in einigen seiner eigenen Elektrofahrzeuge einzusetzen.

QuantumScape und VW sind natürlich nicht die einzigen Unternehmen, die sich mit Festkörperbatterien beschäftigen. Auch Toyota entwickelt eine Festkörperzelle, die bei den Olympischen Spielen in Tokio in diesem Jahr vorgestellt werden sollte, bevor sie wegen der Pandemie verschoben wurde. Wie VW plant auch Toyota, seine Festkörperbatterien bis 2025 auf die Straße zu bringen. Doch Anfang des Jahres erklärte Keiji Kaita, Vizepräsident der Toyota-Antriebsabteilung, gegenüber der Fachzeitschrift Automotive News, dass das Unternehmen die begrenzte Lebensdauer der Batterie noch verbessern müsse. Toyota-Vertreter haben auf die Bitte von WIRED um einen Kommentar nicht reagiert.

Ein sechs Jahre altes Start-up-Unternehmen namens Solid Power hat ebenfalls eine funktionierende Festkörperzelle hergestellt und in einer Pilotanlage in Colorado mit der Produktion von Prototyp-Batterien mit zehn übereinander liegenden Schichten begonnen. Wie QuantumScape haben auch diese Zellen eine Lithium-Metall-Anode und einen keramischen Festkörperelektrolyten. Der Elektrolyt von Solid Power basiert auf Sulfid, einer Chemie, die für Festkörperbatterien aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und ihrer Kompatibilität mit bestehenden Herstellungsverfahren wünschenswert ist. Das Unternehmen unterhält Partnerschaften mit einer Reihe von Automobilherstellern, darunter Ford, BMW und Hyundai, obwohl die Führungskräfte des Unternehmens aufgrund des langwierigen Qualifizierungsprozesses für Automobile nicht damit rechnen, dass ihre Zellen vor 2026 auf der Straße zu sehen sind. Solid Power hat noch keine Daten zu seiner Zelle veröffentlicht, aber es wird erwartet, dass das Unternehmen an diesem Donnerstag eine größere Zelle vorstellt und deren Leistungsdaten zum ersten Mal veröffentlicht.

„Die Landschaft der Wettbewerber im Bereich der Festkörperbatterien wird aufgrund des enormen Potenzials, das Festkörperbatterien für die Elektrifizierung von Fahrzeugen bieten, immer enger“, sagt Doug Campbell, CEO von Solid Power. „Dies führt letztendlich zu Elektrofahrzeugen mit größerer Reichweite, höherer Zuverlässigkeit und niedrigeren Kosten.“

Die Leistungsdaten von QuantumScape sind beeindruckend, aber sie sind mit einem wichtigen Vorbehalt versehen. Alle Testdaten wurden mit einzelnen Zellen gewonnen, die technisch gesehen keine vollständigen Batterien sind. Die von QuantumScape vorgestellte dünne Zelle wird mit etwa 100 anderen Zellen zu einer vollständigen Zelle von der Größe eines Kartenspiels gestapelt werden. Um ein Elektrofahrzeug mit Strom zu versorgen, sind Hunderte dieser gestapelten Batterien erforderlich, aber bisher hat das Unternehmen noch keine vollständig gestapelte Zelle getestet.

Die Skalierung einer Batterie von einer Untereinheit einer einzelnen Zelle zu einer vollständigen Zelle und schließlich zu einem vollständigen Batteriesatz kann eine Menge Probleme verursachen, sagt Srinivasan. Wenn Batterien in kleinen Chargen hergestellt werden, ist es einfacher, Fehler zu beseitigen, die während des Produktionsprozesses auftreten. Sobald man aber anfängt, Batterien in großem Maßstab herzustellen, kann es schwierig sein, die Fehler zu kontrollieren, die die Leistung einer Batterie schnell beeinträchtigen können. „Auch wenn ein Material im kleinen Maßstab vielversprechend aussieht, können diese Defekte beim Scale-up zu einem größeren Problem werden“, sagt Srinivasan. „

Jeff Sakamoto, ein Maschinenbauingenieur mit Schwerpunkt Energiespeicherung an der University of Michigan, der nicht an QuantumScape beteiligt war, stimmt dem zu. Seiner Meinung nach gibt es immer noch erhebliche Wissenslücken über die grundlegenden mechanischen Eigenschaften von Lithium-Metall-Festkörperbatterien, was bei der Kommerzialisierung der Technologie zu Problemen führen könnte. Er verweist auf das erste kommerzielle Passagierflugzeug der Welt, den unglücklichen De Havilland Comet, als Beispiel für die Folgen der Markteinführung einer Technologie, deren Materialeigenschaften noch nicht vollständig bekannt sind. Kurz nach dem Start des Comet kam es zu mehreren katastrophalen Brüchen in der Luft, weil die Ingenieure den Zersetzungsprozess der in der Flugzeughülle verwendeten Metalle nicht vollständig verstanden. Auch wenn bei Festkörperzellen weniger auf dem Spiel steht als bei Verkehrsflugzeugen – schließlich sind die Batterien auf höchste Sicherheit ausgelegt -, könnte eine Batterie, die auf den Markt kommt und unerwartete Leistungsprobleme aufweist, die Elektrifizierung des Verkehrswesens verlangsamen.

„Ich bin erstaunt, wie wenig man über das mechanische Verhalten von Lithiummetall weiß und wie die Physik des Lithiums die Machbarkeit von Festkörperbatterien beeinflusst“, sagt Sakamoto. „Ich weiß nicht, inwieweit diese Wissenslücken die breite Einführung von Lithium-Metall-Festkörperbatterien beeinflussen werden. Aber je mehr wir über das grundsätzliche Verhalten wissen, desto besser ist der Übergang zu einer breiten Einführung.“

Singh ist unbeeindruckt von den Herausforderungen, die QuantumScape bewältigen muss, bevor seine Batterien das Labor verlassen und in ein Auto eingebaut werden können. Seiner Meinung nach hat das Unternehmen die schwierigen grundlagenwissenschaftlichen Probleme gelöst, die die Kommerzialisierung einer Festkörperbatterie bisher behindert haben. „Ich möchte die Arbeit, die noch vor uns liegt, nicht bagatellisieren“, sagt Singh. „Aber es geht nicht um die Frage, ob es funktionieren wird oder nicht. Es ist eine Frage der Technik.“

Anfang des Jahres ging QuantumScape durch eine spezielle Übernahmegesellschaft an die Börse und fügte seiner bereits beträchtlichen Bilanz rund 700 Millionen Dollar hinzu. Singh zufolge verfügt das Unternehmen nun über eine Kriegskasse von mehr als 1 Milliarde Dollar, was mehr als genug ist, um es in die Produktion zu führen. Es scheint unmöglich, dass das Unternehmen scheitern könnte, aber das dachten die Investoren auch bei A123 Systems und Envia Systems, zwei Unternehmen, die mit dem Versprechen einer bahnbrechenden Elektroauto-Batterie riesige Geldsummen von den etablierten Autoherstellern erhielten – und dann abstürzten, als die Leistung ihrer Zellen nicht den Erwartungen entsprach. QuantumScape könnte durchaus das erste Startup-Unternehmen werden, das eine kommerzielle Festkörperbatterie auf den Markt bringt, aber das Unternehmen hat noch einen langen Weg vor sich.

Hat QuantumScape gerade ein 40 Jahre altes Batterieproblem gelöst?

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