Professor Zhang Yuegang der Tsinghua-Universität: Festkörperbatterien stecken bei den „zwei Grenzflächen“ fest, und Lithium-Metall-Batterien versuchen, diese Hürde zu umgehen | An der vordersten Front

Festbatterien sind nicht unbedingt die einzige Lösung für die nächste Generation von Lithiumbatterien.

Vor kurzem führte 36Kr auf dem Forum für fortschrittliche Lithium-Metall-Batterien 2026 (LMBF 2026) in Peking ein Gespräch mit Zhang Yuegang, dem Vorsitzenden des Forums und fest angestellten Professor an der Tsinghua-Universität.

In den letzten Jahren sind Festbatterien fast zu einer der beliebtesten technologischen Richtungen in der Branche der Leistungsbatterien geworden. Nach Ansicht von Zhang Yuegang muss die Branche jedoch zunächst ein grundlegendes Konzept klären: Festbatterien und Lithium-Metall-Batterien sind von vornherein keine zwei technologischen Generationen, die direkt miteinander verglichen werden können.

Der Grund dafür ist, dass beide zu unterschiedlichen Klassifizierungsdimensionen gehören.

Die Energiedichte einer Batterie wird hauptsächlich durch die Kathoden- und Anodenwerkstoffe bestimmt. Die Kathode kann aus Lithiumeisenphosphat, hochvernickeltem ternärem Material, lithiumreichem Mangan-basiertem Material oder sogar Schwefel bestehen, während die Anode eine Entwicklung von Graphit über Silizium-Kohlenstoff bis hin zu Lithiummetall durchlaufen hat. Die Unterscheidung zwischen festförmig und flüssig bezieht sich dagegen auf die Form des Elektrolyten.

Mit anderen Worten: Festbatterien verändern den Elektrolyten, während Lithium-Metall-Batterien die Anode verändern. Was letztendlich bestimmt, wie viel Energie in einer Batterie gespeichert werden kann, sind zuallererst die Kathode und die Anode. Daher sind Batterien mit Lithium-Metall-Anode ebenfalls ein wichtiger Entwicklungszweig der Batterietechnologie der nächsten Generation.

Nach Ansicht von Zhang Yuegang gibt es bei der derzeit in der Branche sehr beliebten Festbatterie-Route noch mehrere technologische Schwierigkeiten bei den Werkstoffen, die überwunden werden müssen.

Den Angaben zufolge ist Zhang Yuegang fest angestellter Professor an der Tsinghua-Universität, international renommierter Wissenschaftler für Werkstoffe mit über 30 Jahren Erfahrung in der Werkstoffforschung im In- und Ausland. Er hat nacheinander am Grundlagenforschungsinstitut von NEC in Japan, an der Stanford-Universität in den USA, bei Intel, am Berkeley National Laboratory und an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gearbeitet und zahlreiche wichtige Forschungsergebnisse in Bereichen wie Nanowerkstoffe und Energiespeichertechnologie erzielt.

Festbatterien stecken bei zwei „Grenzflächen“

Das Attraktivste an Festbatterien für die Branche ist die Verwendung von festem Elektrolyten zur Ersetzung des brennbaren organischen flüssigen Elektrolyten, sodass fortschrittlichere Kathoden- und Anodenwerkstoffe eingesetzt werden können und die Energiedichte auf ein Niveau von 500 Wh/kg angehoben wird. Was die Branche heute jedoch noch beschäftigt, ist das Grenzflächenproblem des festen Elektrolyten, und Zhang Yuegang erläuterte 36Kr detailliert diese Probleme.

Zhang Yuegang ist der Ansicht, dass sich das Kernproblem auf zwei „Grenzflächen“ zurückführen lässt.

Die erste ist die mikroskopische Grenzfläche im Inneren der Kathode.

Die Batteriekathode ist kein kompaktes Material aus einem Stück, sondern besteht aus einer großen Anzahl von Partikeln mit zahlreichen nanoskaligen Poren im Inneren. Flüssiger Elektrolyt kann wie Wasser in diese winzigen Räume eindringen und mit dem Kathodenmaterial in vollem Kontakt kommen, während fester Elektrolyt dies kaum schaffen kann.

Wenn zur Verbesserung des Ionentransports mehr fester Elektrolyt hinzugefügt wird, nimmt dies wiederum den Raum der aktiven Materialien ein, die tatsächlich Energie speichern, und beeinträchtigt letztendlich die Energiedichte der gesamten Batterie.

Das zweite Problem ist die Grenzfläche zwischen Anode und festem Elektrolyten sowie das Problem der Lithiumdendrite.

In der Vergangenheit lautete eine gängige Annahme, dass feste Elektrolyte eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen und Lithiumdendrite physikalisch blockieren können. Nach Ansicht von Zhang Yuegang haben die verschiedenen festen Elektrolyte nach mehr als zehnjähriger Forschung dieses Problem bisher jedoch noch nicht wirklich gelöst.

Feste Materialien weisen von Natur aus mikroskopische Defekte auf, und Lithium wächst entlang dieser Defekte weiter. Sobald ein durchgehender Kanal entsteht, kann dies sogar schnell zu einem internen Kurzschluss führen.

Darüber hinaus können Feststoffe nicht wie Flüssigkeiten vollständig benetzt werden, was im Wesentlichen eher einem „Punktkontakt“ entspricht. Um den Grenzflächenwiderstand zu verringern, müssen der Anteil des Elektrolyten und der Arbeitsdruck erhöht werden, was wiederum im Widerspruch zum Ziel der Erhöhung der Energiedichte steht.

Daher besteht ein weiterer Entwicklungsansatz für die Batterietechnologie der nächsten Generation darin, vorerst den flüssigen Elektrolyten beizubehalten und zuerst die Anode durch Lithiummetall zu ersetzen.

Das größte Hindernis für diesen Ansatz war in der Vergangenheit ebenfalls das Lithiumdendrit-Problem.

Es ist sehr schwierig, dass Lithium während des wiederholten Abscheidevorgangs stets absolut eben bleibt, sodass es allmählich eine strukturähnliche Form wie Äste ausbildet. Sobald die Dendrite weiter wachsen und den Separator durchdringen, kann dies zu einem internen Kurzschluss führen.

Zhang Yuegang erläuterte, dass ein wichtiger Lösungsansatz derzeit darin besteht, Additive im flüssigen Elektrolyten zu nutzen, um einen SEI-Schutzfilm auf der Oberfläche des Lithiummetalls zu bilden. Wenn dieser Film während des Lade- und Entladevorgangs Risse aufweist, können die Additive weiter reagieren und die beschädigten Bereiche dynamisch reparieren.

Auf diese Weise können Dendrite auf einen Mikrometerbereich beschränkt werden, wodurch das Risiko eines Kurzschlusses durch ihr weiteres Wachstum erheblich verringert wird. Der Nachteil ist jedoch offensichtlich: Der ständige Bruch und die Reparatur des SEI-Films bedeuten, dass der Elektrolyt kontinuierlich verbraucht wird.

Nach den von Zhang Yuegang vorgelegten Fortschritten können die entsprechenden Lithium-Metall-Batterien derzeit bereits hunderte von Zyklen erreichen. Einige hochenergetische Produkte der 500-Wh/kg-Klasse haben mehr als 300 Zyklen überschritten, und Produkte der 400-Wh/kg-Klasse können bis zu 600 Zyklen erreichen. Dies liegt jedoch noch hinter den tausenden von Zyklen zurück, die Elektrofahrzeuge im Allgemeinen erfordern.

Die ersten Lithium-Metall-Batterien werden möglicherweise zuerst „in die Luft gehen“

Zhang Yuegang schätzt, dass der realistischere Kommerzialisierungspfad für Lithium-Metall-Batterien zuerst der Eintritt in Drohnen und eVTOL, dann in verkörperte intelligente Roboter und schließlich in Elektrofahrzeuge ist.

Der Grund ist nicht kompliziert.

Für Autos sind 300 oder sogar 600 Zyklen offensichtlich nicht ausreichend. Bei Luftfahrzeugen hängt die Reichweite und Nutzlast jedoch direkt vom Gewicht ab, und jede Erhöhung der Energiedichte kann einen höheren kommerziellen Wert erzeugen. Daher sind Drohnen und eVTOL bereit, höhere Kosten für hochenergetische Batterien zu zahlen, und haben einen größeren Anreiz, neue Technologien zuerst einzuführen.

Bei Robotern gilt eine ähnliche Logik. Mit der praktischen Anwendung der verkörperten Intelligenz werden die Akkulaufzeit, das Gewicht und die momentane Leistung zu Kernindikatoren, sodass der Wert von Batterien mit hoher Energiedichte weiter gesteigert wird.

Nach Zhang Yuegans Einschätzung, wenn Lithium-Metall-Batterien der 400-Wh/kg-Klasse in den nächsten zwei bis drei Jahren ihre Zykluslebensdauer auf tausende Male erhöhen können, haben sie die Chance, in Automobilunternehmen zur Prüfung zu gelangen. Produkte der 500-Wh/kg-Klasse können ebenfalls mit Tests in Fahrzeugen beginnen, wenn sie 700—800 Zyklen erreichen.

Nach Ansicht von Zhang Yuegang kann der flüssige Elektrolyt heute dazu beitragen, dass die Lithium-Metall-Anode zuerst industrialisiert wird. In einigen Jahren, wenn höher energiereiche Kathodenwerkstoffe wie Schwefel-Kathoden neue Anforderungen stellen, kann der feste Elektrolyt wieder zu einem wichtigen Puzzleteil werden.

Die sogenannte „Batterie der nächsten Generation“ wird letztendlich möglicherweise nicht zu einem technologischen Begriff gehören, der revolutionär genug klingt, sondern zu der Werkstoffkombination, die zuerst gleichzeitig die Energiedichte, die Grenzfläche und die Zykluslebensdauer löst.