Man hat noch nicht einmal die Festkörperbatterien verstanden, und schon kommen die Lithium-Luft-Batterien.
Die Technologie-Richtung für die nächste Generation von Batterien ist festgelegt.
Während des kürzlich stattgefundenen Forums "Starke Nation in Sachen Ausrüstung 2026" hat Wu Kai, Akademiker der chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften und Chefwissenschaftler von CATL, drei sensationelle Nachrichten preisgegeben:
Zunächst die Natrium-Ionen-Batterie. Wu Kai hat angegeben, dass die Natrium-Ionen-Batterie in diesem Jahr möglicherweise in großem Maßstab produziert werden kann. Zweitens ist es möglich, dass die Festkörperbatterie 2027 in die Kleinserienproduktion eingeht.
Schließlich hat Wu Kai auch über seine Einschätzung der Technologie für die nächste Generation von Batterien gesprochen: Die Lithium-Luft-Batterie wird zu CATLs zukünftiger Strategierichtung gehören und auch der Brennpunkt des weltweiten Wettbewerbs um die nächste Generation von Batterien sein. Dies ist die erste öffentliche Einschätzung von CATL in Bezug auf die Technologie für die nächste Generation von Batterien.
Im Jahr 2020 war es ebenfalls CATL, die erstmals das Konzept der Natrium-Batterie vorgeschlagen hat. Sofort danach hat die Industrialisierung der gesamten Wertschöpfungskette der Natrium-Batterie an Fahrt aufgenommen.
Jetzt ruft der Anführer erneut auf, und ein neuer Wettlauf um die Batterietechnologie beginnt.
01 Energie-Dichte vergleichbar mit Benzin
Im Vergleich zu den gängigen neuen Batterietypen, der Natrium-Batterie und der Festkörperbatterie, haben viele Menschen möglicherweise noch nie von der Lithium-Luft-Batterie gehört.
Nach Wu Kais Erklärung ist die Lithium-Luft-Batterie eine Batterie, die Lithium als Anode und Sauerstoff aus der Luft als Kathodenreaktant verwendet. Sie hat eine extrem hohe theoretische Energie-Dichte und ist eine wettbewerbsfähige Technologie für die nächste Generation von Batterien.
Es ist bekannt, dass die Lithium-Ionen-Batterie bisher die erfolgreichste wiederaufladbare Batterie ist. Sie wird "Lithium-Ionen-Batterie" genannt, weil in der Batterie, unabhängig davon, ob sie geladen oder entladen wird, Lithium-Ionen (Li+) zwischen den beiden Elektroden hin und her wandern, um einen Strom zu erzeugen.
In der Lithium-Ionen-Batterie kann zwar ein Lithium-Ion mit einer relativen Atommasse von nur 3 eine Einheit Ladung tragen, aber die Kathode muss aus Verbindungen bestehen, die aus Atomen wie Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Phosphor und Kohlenstoff aufgebaut sind, die viel schwerer als Lithium sind, um das Lithium-Ion aufzunehmen.
Dies führt dazu, dass für eine Einheit positiver Ladung an der Kathode ein "Riesengewicht" mit einer relativen Molekülmasse von möglicherweise nahezu 100 erforderlich ist. Zusammen mit dem Gewicht der Anode und anderer Materialien und Strukturen kann die Energie-Dichte der Lithium-Ionen-Batterie pro Masse nicht effektiv erhöht werden. Dies ist ein typisches Beispiel für "ein ganzes Mehlwerk für eine Scheibe Essig aufgeboten zu haben".
Dies ist auch der Grund, warum ein Elektromobil mit einer halben Tonne Lithium-Ionen-Batterien eine Reichweite hat, die weit geringer ist als die eines normalen Autos, das nur einige zehn Liter Benzin getankt hat.
Die Lithium-Luft-Batterie ist dagegen anders. Sie löst die "Grenzen, die die bestehenden Batterien nicht erreichen können". Sie benötigt keine knappen Metalle wie Nickel, Kobalt und Mangan als Kathodenmaterial, sondern nimmt direkt Sauerstoff aus der Luft auf. Ihre Struktur ist leichter und ihr Prinzip ist direkter.
Die Lithium-Luft-Batterie kann direkt Lithiummetall (Li) und Sauerstoff aus der Luft als Elektroden verwenden. Unter idealen Bedingungen wird beim Entladen der Batterie Lithiummetall durch Sauerstoff zu Lithiumperoxid (Li₂O₂) oxidiert, wodurch ein Strom in der äußeren Schaltung erzeugt wird. Beim Laden zerfällt das Lithiumperoxid wieder in Lithium und Sauerstoff.
Man kann es sich wie ein "Atmen" vorstellen: Beim Entladen nimmt die Batterie Sauerstoff auf, beim Laden gibt sie ihn wieder ab. Deshalb wird sie auch "atmende Batterie" genannt. Im Wesentlichen ist die Lithium-Luft-Batterie eher ein perfekter Zustand einer Festkörperbatterie.
Da Lithium das am leichtesten in der Periodentabelle vertretene Metall ist und der Sauerstoff aus der Luft stammt, ist kein anderes Element mit größerer Masse an der Reaktion beteiligt. Dies bringt einen sehr beeindruckenden Vorteil mit sich: Die Lithium-Luft-Batterie kann eine viel höhere Energie-Dichte als die Lithium-Ionen-Batterie erreichen.
Einfach ausgedrückt, kann die Lithium-Luft-Batterie bei gleicher Masse und Größe möglicherweise mehrere Male mehr Strom speichern als die heutigen hochwertigen Lithium-Batterien. Die Energie-Dichte der in Laboren existierenden Lithium-Luft-Batterien hat bereits mehr als 1200 Wh/kg erreicht.
Dies ist nicht nur weit höher als die 250 - 270 Wh/kg der derzeit gängigen Lithium-Ionen-Batterien, sondern auch weit höher als die 500 Wh/kg, die derzeitige Festkörperbatterien erreichen können. Es ist mehr als viermal so hoch wie die der heutigen Lithium-Batterien. Dies ist jedoch noch nicht die Grenze der Lithium-Luft-Batterie. Ihre theoretische Energie-Dichte kann bis zu 12.000 Wh/kg betragen.
Diese Daten können fast mit der Energie-Dichte von Benzin von etwa 13.000 Wh/kg konkurrieren.
Der Forscher Larry Curtiss, der sich auf Lithium-Luft-Batterien spezialisiert hat, hat gesagt: "Unter allen Batterietechnologien, die für die nächste Generation von Batterien in Betracht gezogen werden, hat die Lithium-Luft-Batterie die höchste erwartete Energie-Dichte."
Noch wichtiger ist, dass der verwendete Sauerstoff aus der Luft stammt, und dieser Rohstoff ist nahezu unbegrenzt verfügbar.
Dies bedeutet, dass, wenn die Lithium-Luft-Batterie schließlich auf den Markt kommt, die Reichweitengrenze, die durch die zu geringe Energie-Dichte der Lithium-Ionen-Batterie verursacht wird, vollständig gebrochen werden kann. Es wird normal sein, dass Elektromobile eine Reichweite von über 1000 Kilometern erreichen können, und sogar herkömmliche Verbrennungsmotoren werden möglicherweise vollständig von der Bühne verschwinden.
Bei der Energiespeicherung können die Speicherstationen weniger Platz beanspruchen, länger speichern und die Kosten möglicherweise sinken.
02 Technologischer Höhepunkt in den nächsten 10 Jahren
Natürlich ist die Technologie der Lithium-Luft-Batterie keine völlig neue Entdeckung. Schon in den 1970er Jahren gab es das Konzept der Lithium-Luft-Batterie. 1996 hat ein Team den Sauerstoff (O₂) aus der Luft als aktives Material verwendet und die erste wiederaufladbare Lithium-Sauerstoff (Li - O₂)-Batterie entwickelt.
Ähnlich wie die Festkörperbatterie befindet sich die Lithium-Luft-Batterie nach all den Jahren immer noch im Labor, weil es viele ungelöste technische Probleme gibt.
Beispielsweise entstehen in der Lithium-Luft-Batterie Lithiumsuperoxid (LiO₂) oder Lithiumperoxid (Li₂O₂), aber beide Substanzen begrenzen die Energieabgabe. Wasser und Kohlendioxid in der Luft können die Batteriereaktion direkt stören und die Lebensdauer beeinträchtigen. Es gibt auch Probleme bei der Katalysatormaterialwahl, der Grenzflächenstabilität, der Verkapselungstechnologie und so weiter.
IBM, ein Top-Unternehmen auf dem Gebiet der Mikrowissenschaften, hat versucht, die Lithium-Luft-Batterie zu entwickeln. 2009 hat es ein Programm namens "Battery 500" gestartet, mit dem es hoffte, eine Lithium-Luft-Batterie zu entwickeln, die es Elektromobilen ermöglicht, 500 Kilometer zu fahren. Zu Beginn des Projekts hatten sie geplant, 2013 ein Prototyp zu bauen und 2020 die kommerzielle Produktion zu starten.
Ab 2012 ist das "Battery 500"-Projekt jedoch plötzlich gestoppt worden. Es ist schwierig, Informationen über das Projekt im Internet zu finden. Wenn IBM es nicht absichtlich versteckt hat, kann dies nur bedeuten, dass das Projekt gescheitert ist.
Nach all den Jahren der technologischen Entwicklung und Iteration hat sich die Technologie der Lithium-Luft-Batterie konvergiert und formiert. In den letzten Jahren sind wichtige Meilensteine erreicht worden.
Im Jahr 2024 hat ein gemeinsames Forschungsteam aus der Universität von Illinois in Chicago, dem Argonne National Laboratory und der California State University Northridge einen Artikel in der Zeitschrift "Nature" veröffentlicht. Sie haben erfolgreich eine Lithium-Luft-Batterie hergestellt, die in einer luftähnlichen Atmosphäre über 700 Zyklen betrieben werden kann. Dies hat die bisherigen Einschränkungen der Lithium-Luft-Batterie, die nur reinen Sauerstoff verwenden konnte und eine kurze Zyklenlebensdauer hatte, überwunden.
Nach Tests hat die Lithium-Luft-Batterie nach 700 Lade- und Entladezyklen keine Ausfälle gezeigt. Dies hat vielen Menschen die Möglichkeit gezeigt, dass diese Batterie mit hoher theoretischer Energie-Dichte die bestehenden Lithium-Ionen-Batterien ersetzen und die Reichweitengrenze von Elektromobilen überwinden kann.
Im Jahr 2025 hat das Argonne National Laboratory zusammen mit der Illinois Institute of Technology eine Lithium-Luft-Batterie entwickelt, deren Energie-Dichte 1200 Wh/kg erreicht hat. Dies ist etwa viermal so hoch wie die der derzeit gängigen kommerziellen Lithium-Batterien. Es ist die vielversprechendste Batterietechnologie unter den bekannten wiederaufladbaren Batterien. Sie kann die Reichweite von Elektromobilen auf über 1000 Meilen erhöhen, was etwa 1609 Kilometer entspricht.
Das Experiment wurde bei Raumtemperatur durchgeführt, und die Anzahl der Zyklen hat 1000 erreicht, was den praktischen Standards entspricht. Selbst unter Hochladungsbedingungen könnte diese Lithium-Luft-Batterie die nächste Generation von Batterien mit dem geringsten Leistungseinbruch werden. Es wird erwartet, dass sie nach 2030 in Betrieb genommen wird.
Betrachtet man diesen Zeitpunkt, ist er nicht viel von dem Zeitpunkt entfernt, zu dem die Festkörperbatterie von der Branche allgemein als in großem Maßstab einsetzbar angesehen wird. Dies könnte auch der Grund sein, warum CATL erstmals "ohne Vorwarnung" über ihre Strategie in Bezug auf die Lithium-Luft-Batterie gesprochen hat.
Ähnlich wie bei der Natrium-Batterie hat CATL 2020 angekündigt, die Natrium-Batterie zu entwickeln. Der Hintergrund war, dass der Preis des Batterierohstoffs Lithiumcarbonat gestiegen ist, von etwa 50.000 Yuan pro Tonne zu Beginn des Jahres auf einen erstaunlichen Höhepunkt von 600.000 Yuan pro Tonne. Die Bergbauunternehmen im upstream haben reich geworden, während die Hersteller im downstream leiden mussten.
Damals hat CATL ihren Partnern zugesagt, die Natrium-Batterie 2026 in großem Maßstab einzusetzen und die vier Bereiche Pkw, Lkw, Batteriewechsel und Energiespeicherung abzudecken.
Sechs Jahre später hat CATL sein Versprechen eingehalten. In diesem Jahr wird CATL eine Reihe von Natrium-Ionen-Batterieprodukten in großem Maßstab herstellen. CATL hat bereits die Natrium-Batterie in mehreren Modellen wie dem GAC Aion UT, dem Changan Oushang 520 und dem Jianghuai Logistikwagen eingesetzt. Modelle wie der Geely Xingyuan, der Chery QQ3 und der FAW Yueyi 03 sind auch in den nachfolgenden Promotionplänen enthalten.
Im April dieses Jahres hat CATL auch ein Kooperationsabkommen mit Haibo Sichuang unterzeichnet und eine Auftragsvereinbarung für 60 GWh Natrium-Ionen-Batterien für drei Jahre getroffen. Dies ist derzeit die weltweit größte Auftragsvereinbarung für Natrium-Ionen-Batterien.
Von der Massenproduktion der Natrium-Batterie in diesem Jahr bis zur Festlegung der Lithium-Luft-Batterie als langfristige Richtung wird das Muster der gesamten Batteriebranche immer deutlicher: Für die kurze Frist werden die dringenden Bedürfnisse mit bewährten Technologien erfüllt, für die mittlere Frist wird die Benutzererfahrung mit Festkörperbatterien verbessert, und für die lange Frist wird die Lithium-Luft-Batterie eingesetzt, um die Grenzen zu erkunden.
Die Lithium-Luft-Batterie hat den Vorstellungs