Festkörperbatterien sind noch drei Jahre entfernt – und das schon seit einem Jahrzehnt
Die grundlegende physikalische Grundlage für Festkörperbatterien ist solide. Das Ersetzen des flüssigen Elektrolyten in einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Zelle durch ein festes Material eliminiert die Hauptversagensursache, die Brände verursacht (flüssiger Elektrolyt ist brennbar), ermöglicht die Verwendung von metallischen Lithiumanoden (die etwa zehnmal mehr Lithium pro Volumeneinheit speichern als Graphit) und kann potenziell mehr Ladezyklen aushalten. Die theoretische Energiedichteobergrenze für eine Festkörperzelle mit einer Lithium-Metall-Anode liegt bei etwa 500 Wh/kg – etwa doppelt so viel wie die besten Zellen in aktuellen Elektrofahrzeugen. Das Problem besteht darin, die Lücke zwischen theoretischer Obergrenze und marktfähigem Produkt zu schließen.
Was es tatsächlich bisher verhindert hat
Die zentrale Fertigungsherausforderung ist die Grenzfläche zwischen dem festen Elektrolyten und den Elektroden. In einer Zelle mit flüssigem Elektrolyten füllt der Elektrolyt die mikroskopischen Hohlräume zwischen den Elektrodenpartikeln gleichmäßig aus. Ein fester Elektrolyt kann dies nicht ohne entweder enormen Druck (um physischen Kontakt zu erzwingen) oder extrem dünne Schichtabscheidung im großen Maßstab (was langsam und teuer ist). Während des Ladens scheidet sich metallisches Lithium ungleichmäßig auf der Anode ab und bildet Strukturen, die Dendriten genannt werden, die durch den festen Elektrolyten wachsen und schließlich die Zelle kurzschließen.
QuantumScapes Ansatz verwendet einen dünnen keramischen Separator ohne Anodenmaterial während der ersten Montage – die Lithium-Metall-Anode bildet sich während des ersten Ladens in situ. Dies beseitigt das Dendritenentstehungsproblem an der Anodenoberfläche und ermöglicht eine sehr dünne Zelle. Das Unternehmen hat Zellen demonstriert, die über 1.000 Zyklen mit 80 % Kapazitätserhaltung bei schnellen Laderaten überstehen, was es 2022 in peer-reviewter Form in Nature Energy veröffentlichte. Das Hindernis war die Skalierung dieses Prozesses: QuantumScapes QS-0-Vorpilotlinie produziert seit Ende 2023 Probezellen für die Automobilqualifizierungstests mit der Volkswagen Group, ihrem Hauptinvestor. Die volle Produktionsqualifizierung wird für 2025 erwartet, wobei die Großserienfertigung eine separate Einrichtung und einen separaten Zeitplan erfordert.