Die All-Solid-State-Batterien sind in aller Munde. Nach eingehender Analyse von sieben wichtigen wissenschaftlichen Papieren und Patenten werden die drei größten Hürden für die Massenproduktion gelöst.

Solid-State-Batterien stehen erneut im Rampenlicht der Elektromobilität!

Kürzlich hat Sun Huajun, CTO der Batteriegeschäftseinheit von BYD, bekannt gegeben, dass BYD vorhat, um 2027 die Massenproduktion von Solid-State-Batterien für Fahrzeuge zu starten und nach 2030 eine großflächige Einführung auf dem Markt zu erreichen.

Als führendes Batterieunternehmen bringt BYD erneut Solid-State-Batterien in die Öffentlichkeit. Tatsächlich setzen auch andere Akteure in der Branche auf diese Technologie.

Gerade am vergangenen Wochenende hat auch Guoxuan High-Tech, ein chinesischer Anbieter von Elektromobilitätsbatterien, seine Solid-State-Batterie vorgestellt.

Die von Guoxuan High-Tech entwickelte "Jinshi" Solid-State-Batterie hat eine Energiedichte von über 400 Wh/kg erreicht und hat verschiedene Sicherheits-Tests, wie Nadelstich- und Hochtemperaturtests, bestanden, ohne zu rauchen oder zu brennen. Obwohl die Batterie noch nicht für die Massenproduktion bereit ist, zeigt sie vielversprechende Ergebnisse.

Guoxuan High-Techs "Jinshi" Solid-State-Batterie

Darüber hinaus hat CATL klargestellt, dass die wissenschaftlichen Probleme in der Solid-State-Batteriebranche bereits weitgehend gelöst sind, aber es noch technologische Herausforderungen gibt, bevor die Batterien kommerziell einsetzbar sind.

Dies zeigt das Kernproblem der Solid-State-Batteriebranche: Die Frage ist nicht mehr, ob Solid-State-Batterien funktionieren können, sondern ob sie kostengünstig und sicher hergestellt werden können und in Fahrzeugen eingesetzt werden können.

Insgesamt wird der Zeitplan für die Einführung von Solid-State-Batterien klarer: Rund um 2026 werden Pilotproduktionen und Fahrzeugeinsätze intensiv getestet, um 2027 wird eine kleine Serie produziert, und erst nach 2030 wird eine größere Markteinführung möglich sein.

Wie können diese Probleme durch Technologieinnovation gelöst werden?

Um dies zu klären, hat CarEast die neuesten Entwicklungen in der Branche untersucht und anhand von vier repräsentativen wissenschaftlichen Artikeln von Teams der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Tsinghua-Universität und der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas sowie drei Patenten von CATL und BYD die drei Schlüsselfaktoren für die Massenproduktion von Solid-State-Batterien identifiziert: Die dauerhafte Kontaktierung der internen Materialien, die stabile und kostengünstige Herstellung in der Produktionslinie sowie die Beständigkeit der Batterien in realen Fahrbedingungen, in Bezug auf Sicherheit und Lebensdauer.

01. Bevor Solid-State-Batterien in Fahrzeuge eingesetzt werden können, muss das Problem der internen Kontaktierung gelöst werden

Das erste Hindernis vor der Massenproduktion von Solid-State-Batterien ist nicht, ob der flüssige Elektrolyt durch einen festen Elektrolyten ersetzt werden kann, sondern ob die festen Materialien in der Batterie dauerhaft und stabil aneinander haften können.

In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien gibt es einen flüssigen Elektrolyten, der wie Wasser in die Poren der Elektrodenmaterialien eindringen kann und so die kleinen Spalten füllt.

Bei Solid-State-Batterien sind jedoch die Kathode, Anode und der Elektrolyt fest. Die Kontaktierung ähnelt eher dem Anbringen von harten Materialien aneinander.

Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien und Solid-State-Batterien

Das Problem ist, dass sich die Materialien bei jedem Lade- und Entladevorgang leicht ausdehnen und zusammenziehen. Mit der Zeit können sich kleine Spalten bilden, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, aber die Leistung der Batterie erheblich beeinträchtigen können: Die Ionenleitung wird langsamer, der Innenwiderstand steigt, und die Kapazität und Lebensdauer der Batterie sinken.

Deshalb müssen viele Solid-State-Batterien in Laboren externen Druck ausgesetzt werden, um die Materialien zusammenzuhalten. Dies ist jedoch für Fahrzeuge nicht praktikabel, da die Batteriepacks leicht, kompakt und sicher sein müssen. Ein dauerhafter hoher Druck würde die Komplexität der Struktur erhöhen und die Energiedichte des Fahrzeugs verringern.

Die Branche muss daher die Frage beantworten, ob Solid-State-Batterien ohne externen Druck eine stabile Kontaktierung aufrechterhalten können.

Neue Forschungen in der Wissenschaft befassen sich genau mit dieser Frage.

Das Team von Huang Xuejie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das Team von Yao Xiayin des Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering und das Team von Zhang Heng der Huazhong University of Science and Technology haben ein "dynamisch adaptives Interface" vorgeschlagen. Dies kann als eine Art Puffer-Schicht zwischen Elektrode und Elektrolyt verstanden werden, die sich während des Batteriezyklus selbst anpasst.

Elektrisches Feld getriebene Iodid-Ionenwanderung bildet iodreicher DAI

Diese Puffer-Schicht ist keine einfache Schutzschicht, sondern wird durch die Wanderung bestimmter Ionen in der Batterie an der Grenzfläche gebildet. Sie ist weicher und passt sich leichter an die Volumenänderungen der Elektroden an, was die Wahrscheinlichkeit einer Entkopplung der Materialien verringert.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass diese Batterie auch nach vielen Zyklen eine hohe Kapazität behält und in Pouch-Zellen ohne externen Druck betrieben werden kann. Dies ist wichtig für die zukünftige Anwendung in Fahrzeugen.

Darüber hinaus muss der feste Elektrolyt auch die Frage beantworten, ob er wie herkömmliche Batteriematerialien stabil hergestellt werden kann.

Viele anorganische feste Elektrolyte haben gute Eigenschaften, aber sie sind oft hart und spröde. In Laboren können sie als Proben hergestellt werden, aber in der Produktion können Probleme auftreten: Sie sind schwierig zu dünnen Filmen zu verarbeiten, schwer zu walzen und schlecht mit den Elektrodenpartikeln zu verbinden.

Verhalten von Medien in verschiedenen Zuständen

Das Team von Hu Yongsheng der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat einen viskoelastischen anorganischen Glaselektrolyten namens VIGLAS entwickelt, um dieses Problem zu lösen.

Der Elektrolyt soll sowohl die Stabilität eines anorganischen Materials als auch eine gewisse Flexibilität aufweisen. Er soll eher wie ein flexibles Film-Material als wie ein sprödes Glas sein, um leichter mit den Elektroden verbunden zu werden und in die Herstellungsprozesse wie Walzen und Filmbildung integriert zu werden.

Schließlich ist auch das Problem auf der Anodenseite von Solid-State-Batterien wichtig.

In Lithium-Metall-Solid-State-Batterien wird Lithium während des Lade- und Entladevorgangs auf der Anode abgeschieden und wieder abgelöst. Wenn dieser Prozess instabil ist, kann es zu Rissen an der Grenzfläche und sogar zu Sicherheitsproblemen wie Lithiumdendriten kommen.

Das Team von Kang Feiyu und He Yanbing der Tsinghua-Universität in Zusammenarbeit mit dem Team von Yang Quanhong der Tianjin University hat eine "dehnbare SEI" entwickelt, um dieses Problem zu lösen.

Schematische Darstellung der Materialstruktur dieser Studie

Die SEI kann als eine Schutzschicht auf der Anode verstanden werden. Herkömmliche Schutzschichten können bei wiederholtem Lade- und Entladevorgang reißen. Das Ziel ist es, eine flexiblere Schutzschicht zu entwickeln, die sich an die Volumenänderungen des Lithiummetalls anpasst und weniger leicht bricht.

Dies erhöht die Zyklenstabilität der Batterie, indem es wie eine widerstandsfähigere Schutzschicht auf der Anode wirkt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Richtung der Forschung und Entwicklung von Solid-State-Batterien klar ist.

In der Vergangenheit war die Branche eher an den Eigenschaften des festen Elektrolyten interessiert, wie beispielsweise der Ionenleitfähigkeit.

Heute geht es darum, ob die Batterien tatsächlich in Fahrzeugen eingesetzt werden können und langfristig stabil funktionieren.

Mit anderen Worten, vor der Massenproduktion von Solid-State-Batterien müssen nicht nur die Materialien ausreichend fortschrittlich sein, sondern es müssen auch drei realistischere Probleme gelöst werden.

Erstens muss die dauerhafte Kontaktierung zwischen Elektrode und Elektrolyt gewährleistet sein. Zweitens sollte die Batterie möglichst wenig von externem Druck abhängen. Drittens müssen die Materialien in kontinuierlichen Herstellungsprozessen verarbeitet werden können.

Für Automobilhersteller und Batterieunternehmen entscheiden diese Probleme, ob Solid-State-Batterien von der wissenschaftlichen Forschung und den Laborproben zur Massenproduktion und Einbau in Fahrzeuge gelangen können.

02. Das zweite Hindernis für Solid-State-Batterien: Kann die Produktionslinie stabile Batterien herstellen?

Nachdem das Problem der Kontaktierung zwischen den Materialien gelöst wurde, muss sich die Solid-State-Batteriebranche dem zweiten Hindernis stellen: Es ist nicht schwierig, eine einzelne Batterie in einem Labor herzustellen, aber es ist schwierig, eine Serie von Batterien in einer Produktionslinie stabil herzustellen.

Für Batterieunternehmen ist die Massenproduktion nicht nur von der besten Leistung einer einzelnen Batterie abhängig, sondern auch davon, ob Tausende von Batterien die gleiche Leistung aufweisen. Die Leistung muss stabil sein, die Ausbeute muss hoch sein, und die Kosten müssen niedrig gehalten werden. Andernfalls ist es schwierig, die Batterien in Fahrzeugen einzusetzen, auch wenn die Laborergebnisse sehr gut sind.

Wie bereits erwähnt, gibt es in Solid-State-Batterien keinen flüssigen Elektrolyten, um die Spalten zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten zu füllen. Die Elektroden und der Elektrolyt müssen daher eng aneinander anliegen. In der Produktion wird dies zu einem praktischen Problem: Die Batterien müssen stark genug gepresst werden, um eine gute Kontaktierung zu gewährleisten, aber nicht zu stark, um die Verpackung und die Elektroden nicht zu beschädigen.

Wenn die Pressung zu gering ist, können Spalten zwischen den Materialien entstehen, was die Zyklenlebensdauer der Batterie beeinträchtigt. Wenn die Pressung zu stark ist, können die Verpackungsmembran, die Kanten der Elektroden und die innere Struktur beschädigt werden, was die Ausbeute verringert.

BYD hat in Patent CN118748295A ein Verfahren vorgeschlagen, um dieses Problem zu lösen. Das Patent sieht vor, eine Keramikschicht auf der äußersten Anode einer Solid-State-Batterie anzuordnen. Die Keramikschicht ist härter und stabiler, wodurch die Batterie beim isostatischen Pressen gleichmäßiger belastet wird und die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen der Verpackungsmembran und des Weiteren beim Pressen verringert wird.

Schematische Darstellung des BYD-Patents

Dieses Problem mag klein erscheinen, aber es zeigt ein Kernproblem bei der Massenproduktion von Solid-State-Batterien: Die Batterien müssen nicht nur stark gepresst werden, sondern auch gleichmäßig und kontrolliert. Die Verpackung und die Elektroden dürfen nicht beschädigt werden.

Außerdem bemühen sich die Unternehmen, ein weiteres Problem zu lösen: Was passiert mit der Anodenseite, wenn die Batterie lange Zeit zyklisiert wird?

In Solid-State-Batterien ist die Grenzfläche zwischen Anode und festem Elektrolyten einer der Stellen, an denen Probleme auftreten können. Hier müssen die Lithiumionen leicht passieren können, die Nebenreaktionen minimiert werden, und die Bildung von Lithiumdendriten verhindert werden. Wenn dies nicht kontrolliert wird, kann es die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen und sogar Sicherheitsrisiken darstellen.

Zwei kürzlich von CATL veröffentlichte Patente beabsichtigen, eine "Funktionsschicht" auf der Anodenseite anzuordnen. Diese Funktionsschicht kann als eine Art Puffer- oder Filter-Schicht innerhalb der Batterie verstanden werden: Sie soll die Lithiumionen passieren lassen, die Grenzflächenstärke erhöhen und die Rissbildung und Nebenreaktionen verringern.

Das Patent mit der Anmeldungsnummer CN121238027A schlägt vor, eine Funktionsschicht auf der Anodenschicht anzuordnen. Diese Schicht besteht aus einem polymeren Elektrolyten und einer geringen Menge an Graphenmaterial. Der Massenanteil des Graphenmaterials beträgt 0,3 % bis 2 %, und der mittlere Durchmesser der Graphenflocken liegt zwischen 30 μm und 220 μm. Die Patentbeschreibung zeigt, dass diese Konstruktion die Zyklenstabilität von Solid-State-Batterien verbessern kann.