CATL: Solid-State-Batteriezellen seit der Kommerzialisierung. Das Problem ist die Degradation und… der flüssige Elektrolyt

Der Präsident und Gründer von CATL, Robin Zeng, gab ein Interview für das chinesische Caijing Magazine. Entgegen den Aussagen einiger Hersteller, dass sie bereits Batterien mit festem Elektrolyten testen, behauptet Zeng, dass diese derzeit noch im labortechnischen Prototypenstadium sind und es bis zur Kommerzialisierung noch ein langer Weg ist. Ihr größtes Problem ist genau das, was eigentlich ihr Vorteil sein sollte: der feste Elektrolyt. Denn es ist nicht einfach, Ionen dazu zu bringen, sich in Festkörpern zu bewegen – und gerade die Ionen bilden die Grundlage für den Betrieb von Li-Ion-Zellen.

Fester Elektrolyt und eine clevere Idee für Fest-Flüssig-Zellen

In den letzten Tagen gab Stellantis bekannt, dass es mit dem Testen von Prototypzellen des Typs Factorial in einem experimentellen Fahrzeug begonnen hat und dass diese eine Energiedichte von 0,375 kWh/kg aufweisen. Sehr ähnliche Werte (0,35 kWh/kg) nannte das chinesische Unternehmen Dongfeng, das ebenfalls bereits in der zweiten Hälfte dieses Jahres mit der Montage von Solid-State-Batteriepaketen (all-SSB, ASSB) beginnen möchte. In beiden Fällen sind die Energiedichten beeindruckend, doch die Hersteller prahlen entweder nicht mit weiteren Daten (Abnutzung, Ladezeit) oder nennen Werte, die im Vergleich zu den besten LFP-Zellen nicht überzeugen.

Der in Fahrzeugen von Stellantis verwendete Solid-State-Zellenmodul von Factorial. Achten Sie auf die Verbindungen der Konstruktion sowie auf die Klemmen und Schrauben, die vermutlich die Zellen komprimieren, d.h. sie unter hohem Druck halten (Quelle: Stellantis)

Der CEO von CATL sagt fast wörtlich, dass die Verwendung fester Elektrolyte, der wichtigste Vorteil von Solid-State-Zellen, gleichzeitig das größte technologische Problem darstellt (Quelle). Lithiumionen können sich problemlos im Elektrolyten bewegen, aber sie können nicht springen. Deshalb müssen die Elektroden (von Natur aus fest) sowie der Elektrolyt (neu: fest) während der Produktion erhitzt und unter einem Druck von 6.000 Atmosphären, über 600 MPa (Megapascal), komprimiert werden. Damit die Ionen in der Struktur zunächst durch die Elektroden und anschließend durch den Elektrolyten wandern können, um schließlich in der Endelektrode zu haften.

Zum Vergleich: Wasserstoff zur Betankung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen wird bei einem Druck von 88 MPa gelagert. In FCEV-Fahrzeugen liegt der Nenndruck bei 70 MPa. Die Anwendung solcher Drücke erforderte Fortschritte in den Materialtechnologien sowie die Verwendung von Kohlenstofffasern und Verbundmaterialien zur Herstellung der Gasbehälter.

Experimentelles Fahrzeug zur Erprobung von Solid-State-Brennstoffzellen Factorial (Bild oben) (c) Stellantis

Kehren wir jedoch zu den Solid-State-Batterien zurück. Der CEO von CATL betont, dass die Verwendung hoher Drücke zur Vereinigung der Elektroden mit dem Elektrolyten dazu führt, dass Materialien mit unterschiedlicher Druckbeständigkeit auf unterschiedliche Weise verformt werden. Das Ergebnis kann eine ungleichmäßige Struktur sowie eine unverteilte Verteilung der Bestandteile sein, was zu Anomalien führt, die den inneren Widerstand erhöhen und die Degradation der Zellen beschleunigen, was die Kommerzialisierung erschwert. Die Schlussfolgerungen scheinen sowohl offensichtlich als auch überraschend zu sein: Die Verwendung fester Elektrolyte kann zwar die durch ultraschnelles Laden verursachte Degradation während der Nutzung verlangsamen, doch sie verursacht Probleme in einer früheren Phase – bei der Produktion.

In diesem Zusammenhang scheinen Zellen mit fest-flüssigem Elektrolyten eine nahezu ideale Lösung zu sein, bei denen die flüssige Phase bis zu 5 Prozent ausmacht. Sie erfordern keine sehr hohen Drücke, da zwischen den Elektroden und dem festen Elektrolyten eine Flüssigkeit vorhanden ist, die es den Ionen ermöglicht, sich zu bewegen. Nachteile? Solche Zellen enthalten weiterhin einen flüssigen Elektrolyten im Inneren – eine brennbare Substanz.

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