Festkörperzellen können die USA wieder wettbewerbsfähig in der Batterietechnologie machen: CEO

Amerikanische Unternehmen versuchen möglicherweise, den asiatischen Giganten im Batteriegeschäft aufzuschließen, doch Festkörperbatterien könnten den USA eine weitere Chance geben, wettbewerbsfähig zu werden. Das sagt der CEO des in Colorado ansässigen Spezialisten für feste Elektrolyte, Solid Power.

Solid Power gehört zu einer Welle junger amerikanischer Batteriestart-ups – darunter das in Kalifornien ansässige QuantumScape und das in Massachusetts ansässige Factorial –, die darum konkurrieren, Festkörperbatterien kommerziell verfügbar zu machen.

Batterieforscher sind sich weitgehend einig, dass Festkörperzellen im Vergleich zu den aktuellen Lithium-Ionen-Batterien eine längere Fahrstrecke für Elektrofahrzeuge ermöglichen, schnellere Ladezeiten bieten und das Brandrisiko beseitigen können.

Doch die Technologie hat sich als äußerst schwierig erwiesen, ohne Defekte in großem Maßstab herzustellen. Wer dieser Entwicklung gefolgt ist, weiß, dass die Technologie bereits seit Jahren als „nur noch um die Ecke“ gilt.

Samsung SDI all-solid-state-Batterie

Photo von: Samsung

Solid Power ist jedoch der Ansicht, dass das Warten letztendlich lohnenswert sein wird. Das Unternehmen erwartet, dass Solid-State-Batterien bis Ende dieses Jahrzehnts in ausgewählten High-End-E-Autos zum Einsatz kommen, wobei eine breitere Verbreitung in den frühen 2030er Jahren folgen soll.

Im Jahr 2024 erhielt das Unternehmen außerdem eine Zuschusssumme von 50 Millionen US-Dollar vom US-Energieministerium im Rahmen des Bipartisan Infrastructure Acts zur Unterstützung seiner Entwicklungsarbeiten.

Im Gegensatz zu einigen Konkurrenten versucht Solid Power nicht, eine komplette Batterie zu entwickeln. Das Unternehmen spezialisiert sich auf ein entscheidendes Element: den Elektrolyten, der den Transport von Lithiumionen zwischen den Elektroden ermöglicht.

In Lithium-Ionen-Batterien ist das Elektrolyt in der Regel eine brennbare flüssige Chemikalie. Bei Festkörperbatterien entwickeln Unternehmen hauptsächlich drei verschiedene Arten von Festelektrolyten: Polymere, Oxide und Sulfide.

Solid Power setzt auf die dritte Option. Der Präsident und CEO, John Van Scoter, sagte in einem Interview mit InsideEVs, dass das flexible, auf Sulfiden basierende Festelektrolyt-Design dazu beitragen kann, etablierten Batterieherstellern dabei zu helfen, diese Technologie in ihre bestehenden Produktionsprozesse zu integrieren, und den USA so einen Weg zurück in die Batteriebranche zu eröffnen.

„Alle Festkörperbatterien können der Weg sein, auf dem [die USA] wieder in die Batterieindustrie eintreten und wettbewerbsfähig werden können“, sagte Van Scoter.

Das Unternehmen hat letzten Monat einen Schritt in diese Richtung unternommen, indem es in seinem Werk in Thornton, Colorado, die Pilotproduktionslinie Mobius in Betrieb genommen hat. Das Ziel? Von diesem Werk aus Elektrolyte herzustellen und an einige der größten Player in der Automobil- und Batterieindustrie zu verkaufen.

Das Unternehmen arbeitet bereits mit Ford, BMW, Samsung SDI, SK ON sowie weiteren Unternehmen zusammen, die noch nicht öffentlich genannt wurden. Anstatt eigene Batterien herzustellen, sagte Solid Power, könnten Batteriehersteller seinen Elektrolyt in ihre eigenen Zellkonzepte integrieren, die Ergebnisse testen und gemeinsam an der Weiterentwicklung der Technologie vor der Serienproduktion arbeiten.

Van Scoter erklärte, das Unternehmen habe seine gemeinsamen Entwicklungsvereinbarungen mit Ford und BMW abgeschlossen. Der Fokus richte sich nun darauf, mit großen Batterieherstellern zusammenzuarbeiten, um herauszufinden, wie die Produktion skaliert werden kann.

Es wird erwartet, dass die Pilotanlage für Mobius bis Ende des Jahres in Betrieb genommen wird und eine jährliche Produktionskapazität von 45 Metrischen Tonnen an festen Elektrolyten schafft. Zusammen mit den bestehenden Anlagen würde dies eine Gesamtkapazität von 75 Metrischen Tonnen pro Jahr ergeben.

Was bedeutet das nun in Bezug auf die Leistung? In Kombination mit einem Silikon-Anodenmaterial und einer Nickel-Mangan-Kobalt (NMC)-Kathode kann der Sulfid-Elektrolyt von Solid Power die Energiedichte einer Zelle auf 390 Wattstunden pro Kilogramm erhöhen und mehr als 1.000 Zyklen überstehen. (Moderne NMC-Batterien mit flüssigen Elektrolyten liefern in der Regel etwa 250 bis 280 Wh/kg.)

Laut dem Unternehmen kann die Energiedichte mit einer Lithiummetall-Anode auf 440 Wh/kg steigen, was fast das Doppelte der durchschnittlichen Lithium-Ionen-Batterien von heute darstellt. Allerdings handelt es sich dabei nur um theoretische Werte. Die tatsächliche Energiedichte hängt vom Hersteller ab, der die eigentlichen Zellen herstellt.

„Wir schaffen die Voraussetzungen, die es der Zelle ermöglichen, zu funktionieren“, sagte Van Scoter. „Aber die Energiedichte, die Lebensdauer sowie alle anderen wichtigen Eigenschaften hängen vom Design der Zelle ab.“

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass das Unternehmen glaubt, seine Technologie benötige weder völlig neue Fabriken noch teure Umrüstungen.

„Wir können standardmäßige Fertigungsanlagen für Lithium-Ionen-Batterien nutzen, um alle Festkörperzellen herzustellen“, sagte Van Scoter.

Sicherlich haben Festkörperbatterien immer noch einige bekannte Probleme zu lösen. Eines davon ist die Bildung von Dendriten. Dabei handelt es sich um winzige, nadelartige Lithiumstrukturen, die sich innerhalb einer Zelle bilden können und potenziell Kurzschlüsse sowie einen Kapazitätsverlust verursachen. Van Scoter sagte, Solid Power habe viel ingenieurtechnisches Engagement in die Lösung dieses Problems investiert.

Auch bei der Zusammenarbeit mit Automobilherstellern startet das Unternehmen nicht von vorne. BMW veröffentlichte im letzten Jahr Bilder eines Prototyps des i7, der mit einer Festkörperbatterie ausgestattet ist, bei der Solid Powers Silizianoden verwendet werden.

BMW i7 Festkörperbatterie-Prototyp

Foto von: BMW

BMW, Samsung SDI und Solid Power haben zudem eine dreiseitige Vereinbarung getroffen, um die Technologie für die Markteinführung zu entwickeln. Samsung SDI wird die Zellen herstellen, BMW wird die Batteriemodule sowie -pakete entwickeln, und Solid Power wird den festen Elektrolyt liefern. Der genaue Zeitplan, wann wir die Früchte dieser Zusammenarbeit sehen werden, bleibt unklar.

Andere amerikanische Start-ups im Bereich Festkörperbatterien verfolgen einen stärker vertikal integrierten Ansatz und entwickeln die Zellen selbst. QuantumScape arbeitet beispielsweise mit Volkswagen, Honda und anderen Automobilherstellern zusammen, um seine Technologie zu kommerzialisieren. In der Zwischenzeit haben Mercedes-Benz und Stellantis bereits mit dem Testen von Prototypfahrzeugen begonnen, die mit Factorials Festkörperzellen ausgestattet sind.

Solid Power ist jedoch der Ansicht, dass die Technologie zunächst in Verteidigungsanwendungen, Drohnen und humanoiden Robotern reif werden könnte.

„Die Qualifizierungszyklen sind kürzer und die Lebensdauer der Plattform viel schneller“, sagte Van Scoter über Drohnen und Roboter.

Was denken Sie?

On jeden Fall haben die US-Automobilhersteller und Batteriefirmen den Boom der Lithium-Ionen-Batterien nicht voll ausgenutzt und diesen den asiatischen Großkonzernen überlassen. Ob sie die Festkörperbatterien zuerst fertigstellen können, wird nur die Zeit zeigen.

Kontaktieren Sie den Autor: suvrat.kothari@insideevs.com

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