Du wartest noch darauf, dass Festkörperbatterien in Autos verbaut werden – inzwischen sind sie schon in den Himmel geflogen und bis in die Tiefsee vorgedrungen.

Festkörperbatterien – wir hören diese Begriffe schon seit Jahren so oft, dass es uns langsam zu den Ohren herauskommt.

Automobilhersteller und Batteriefabriken erwähnen sie immer wieder: Sie sind sicherer, haben eine längere Reichweite und eine schnellere Lade- und Entladegeschwindigkeit.

Kurz gesagt, sie scheinen in jeder Hinsicht perfekt zu sein.

Aber die Reaktion der meisten Verbraucher lautet: „Schon gut, schon gut, alles super.“

Denn in unserer Vorstellung ist dieses Ding sehr schwer herzustellen, und die Kosten lassen sich kaum senken.

Sobald ein Auto das Werbemittel „Festkörperbatterie“ erhält, ist ungewiss, wie viel die Reichweite steigt, aber ein Preisanstieg von 100.000 Yuan ist noch niedrig angesetzt.

Dieses Gefühl ist natürlich nicht falsch. Insbesondere im Bereich von Privatwagen dauert es noch einige Jahre, bis Festkörperbatterien in großen Mengen in Fahrzeuge eingebaut werden.

Aber in den Ecken, die die meisten von uns nicht sehen, sind Festkörperbatterien längst im Einsatz – sie arbeiten sowohl in der Luft als auch in der Tiefsee.

Im März dieses Jahres veröffentlichte ein US-Unternehmen für Unterwasserroboter ein autonomes Unterwasserfahrzeug namens DarkWake, das nach dem Eintauchen selbstständig Aufgaben erledigen kann.

Es hat ein Verkaufsargument: Festkörperbatterie.

Chinesische Teams sind sogar noch schneller.

Im November 2020 arbeitete das bemannte Tauchboot „Fendouzhe“ in 10.000 Metern Tiefe am Grund des Marianengrabens. Daneben war das Video-Lander „Canghai“ für Aufnahmen und Live-Übertragungen zuständig. Die Stromversorgung für „Canghai“ erfolgte durch einen Satz Festkörper-Lithiumbatterien.

Diese Batterie stammt von dem Team um Prof. CUI Guanglei vom Qingdao-Institut für Energieforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Ihre Batterien wurden bereits 2017 mit dem Lander in Tiefen von über 10.000 Metern eingesetzt. Bis heute wurden mehr als 200 Chargen von Tiefsee-Batteriesystemen ausgeliefert.

Während Privatwagen noch auf sie warten, sind Festkörperbatterien zuerst in anspruchsvollen Szenarien wie Tiefsee und Drohnen zum Einsatz gekommen.

Denn diese Anwendungen kümmern sich kaum um höhere Batteriekosten oder geringere Produktionsmengen – am meisten fürchten sie einen Ausfall der Batterie.

01. Warum können sie in die Tiefsee gehen?

Alle 10 Meter Tiefe im Meer steigt der Druck um ungefähr eine Atmosphäre. In 10.000 Metern Tiefe lastet auf jedem Quadratzentimeter ein Wasserdruck von etwa einer Tonne – das entspricht einem PKW, der auf einem Fingernagel steht.

Dort herrschen das ganze Jahr über nur wenige Grad Celsius, und Meerwasser ist leitfähig. Wenn an einer undichten Stelle ein wenig Wasser eindringt, kann der Stromkreis kurzschließen.

Verwendet man herkömmliche Batterien, bleiben sie leicht auf halbem Weg liegen: Die Kamera hört auf zu fotografieren, die Messgeräte messen nicht mehr. Nicht nur die wissenschaftliche Expedition wäre umsonst, es wäre sogar fraglich, ob die mehrere hundert Millionen Yuan teure Ausrüstung wieder geborgen werden kann.

Manche denken vielleicht: Die Batterie ist mit Flüssigkeit gefüllt, warum fürchtet sie sich vor Wasserdruck?

Das stimmt: Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl sind kaum komprimierbar und übertragen den Druck unverändert weiter.

Aber in einer gewöhnlichen Lithium-Ionen-Batterie gibt es neben dem Elektrolyten viele Spalten und Hohlräume.

Wenn also eine flüssige Lithium-Ionen-Batterie in die Tiefsee gebracht wird, treten höchstwahrscheinlich mehrere Probleme auf.

Erstens: Hohlräume. Übliche zylindrische Zellen haben von Natur aus Gasspalten. Bei äußerem Druck werden sie am leichtesten eingedrückt und verformt.

Zweitens: Auslaufgefahr. Bei Pouch-Zellen wird der Elektrolyt durch eine umlaufende Heißsiegelnaht eingeschlossen. Bei hohem Druck kann die Naht aufblähen, äußere Flüssigkeit dringt durch die Naht in die Zelle ein, und der innere Elektrolyt wird an strukturell schwache Stellen gedrückt. Kleine Grate an den Elektrodenrändern können sogar in den Separator eingepresst werden – der Separator ist eine dünne Folie zwischen positiver und negativer Elektrode, die die beiden Seiten voneinander trennt. Sobald er durchstochen wird, tritt ein Kurzschluss auf.

Drittens: Brennbarkeit. Flüssige Elektrolyte bestehen meist aus brennbaren organischen Lösungsmitteln. Bei thermischem Durchgehen wird das Innere der Batterie immer heißer, die Reaktion wird immer heftiger – in einem abgeschlossenen Gehäuse ist das besonders schwer zu beherrschen.

Deshalb werden gewöhnliche Lithium-Ionen-Batterien für die Tiefsee normalerweise in druckfeste Kapseln gesteckt, sodass sie darin weiterhin unter einer Atmosphäre leben. Die druckfeste Kapsel funktioniert wie ein Tresor, der den gesamten äußeren Druck durch die Wand aufnimmt. Für Tiefen von 10.000 Metern muss die Wand oft aus Titanlegierung bestehen und sehr dick ausgeführt werden.

Wenn die Wand dick wird, trifft man auf etwas, das Tiefseegeräte sehr berücksichtigen: Gewicht.

Viele Tiefseegeräte haben keinen Antrieb. Nehmen wir den Lander als Beispiel: Beim Absenken sinkt er mit Ballasteisen selbstständig ab, nach Abschluss der Arbeiten wirft er das Ballasteisen ab und schwimmt mit Hilfe von Auftriebsmaterialien wieder an die Oberfläche. Pro Kilogramm zusätzliches Gewicht von Batterie und Gehäuse muss ein zusätzliches Auftriebsmaterial mitgeführt werden, um es wieder nach oben zu tragen. Das gesamte Gerät wird größer und schwerer, was das Absenken und Bergen erschwert.

Deshalb ist die Batterie bei der Konstruktion eines Tiefseegeräts oft ein großes Hindernis: Die gespeicherte Energiemenge bestimmt, wie lange es unten bleiben kann; das Gewicht von Batterie und Gehäuse bestimmt, wie viel Auftriebsmaterial benötigt wird. Erst wenn diese Punkte festgelegt sind, können Positionen für Kamera und Sensoren geplant werden.

Bei Autos trägt die Karosserie die Batterie, die nur ein Bauteil ist. Auf dem Meeresboden wirkt es eher so, als würde man eine Maschine für die Batterie bauen.

Festkörperbatterien können genau diese Probleme vermeiden.

In dieser Batterie gibt es keine frei fließende flüssige Elektrolyte. Ohne flüssige Phase kann nichts auslaufen oder weggedrückt werden. Der feste Elektrolyt füllt alle Spalten in der Zelle vollständig aus, sodass unter Druck keine Hohlräume einstürzen können. Da eine große Menge brennbarer Lösungsmittel entfällt, sinkt auch das Brandrisiko erheblich.

In Labortests mit simuliertem Tiefseedruck hielt das Batteriesystem des Teams einem Druck von 121 Megapascal stand – etwa 20 % mehr als der Druck am Grund des 10.000 Meter tiefen Meeres. Es blieb unbeschädigt und lieferte weiterhin zuverlässig Strom.

Ausschließlich Feststoffe reichen aber nicht aus. Zu harte Feststoffe reißen leicht, zu weiche behalten ihre Form nicht. Das Team verwendet einen Verbundelektrolyten mit „harten und weichen Eigenschaften zugleich“: Ein steifes Gerüstmaterial hält die Form, während flexible Polymere und Lithiumsalze die Lücken zwischen dem Gerüst füllen und den Durchgang von Lithium-Ionen ermöglichen. Das ähnelt einem Netz, das vollständig mit Klebstoff getränkt ist: Das Netz hält die Form, die Ionen wandern durch den Klebstoff.

Solche Zellen werden in Öl getaucht und mit einer Druckkompensation ausgestattet, sodass man auf eine schwere, dicke druckfeste Kapsel verzichten kann. Die Kombination aus Material, Verkapselung und Druckkompensation ergibt ein komplettes Stromversorgungssystem, das in der Tiefsee arbeiten kann.

Wenn man die Batterien vergrößert, werden sie direkt zu Kraftwerken auf dem Meeresboden.

Im Oktober 2022 platzierte das Forschungsschiff „Tansuo Erhao“ eine wissenschaftliche Experimentierstation auf dem Meeresboden in Tiefen von mehreren tausend Metern. Der Kern ist eine Unterwasserbasis, die mit 1000 kWh Festkörper-Lithiumbatterien ausgestattet ist – das entspricht ungefähr der Summe der Batterien von mehr als einem Dutzend Elektroautos. Anschließend dockte das bemannte Tauchboot „Shenhai Yongshi“ ein In-situ-Labor an der Basis an, das seinen Strom aus diesem riesigen tragbaren Akku bezieht.

Die Ergebnisse zeigen, dass diese Batterien in jeder Hinsicht sehr gut funktionieren. Ihr einziger Nachteil ist der hohe Preis.

Aber die Berechnungsweisen sind unterschiedlich: Beim Kauf eines Privatwagens überlegt man lange, bevor man 1000 Yuan mehr ausgibt. Bei Tiefseegeräten fürchtet man am meisten Ausfälle. Eine Expedition erfordert das Auslaufen des Schiffs, die Besatzung und eine Menge Geräte. Wenn die Batterie unten ausfällt, ist die gesamte Mission umsonst. Solange die Batterie ihre Aufgabe zuverlässig erledigt, ist ein höherer Preis wert.

02. Der schwierigste Schritt bei Festkörperbatterien

Die Herstellung von Festkörperbatterien ist schwierig – das Problem liegt genau in den beiden Wörtern „fest“ und „Körper“.

Bei flüssigen Batterien dringt der Elektrolyt selbstständig in alle Spalten ein und durchtränkt jeden Winkel zwischen den Elektrodenpartikeln. Lithium-Ionen wandern durch die Flüssigkeit hin und her, um den Lade- und Entladevorgang abzuschließen.

Bei Feststoffen wird die Sache schwierig. Die Oberfläche der Elektroden ist bei Vergrößerung voller Vertiefungen und Unebenheiten. Legt man einen festen Elektrolyten darauf, berühren sich tatsächlich nur einige erhabene Punkte – genau wie zwei übereinandergelegte Ziegel, die scheinbar lückenlos aneinander liegen, aber dazwischen viele Lücken haben.

Wenn sie nicht eng aneinander haften, können Lithium-Ionen nicht durchdringen. Außerdem dehnen sich die Elektroden bei jedem Lade- und Entladevorgang aus und ziehen sich wieder zusammen, sodass die gerade noch haftenden Stellen wieder auseinandergerissen werden.

NI Jun, Chief Manufacturing Officer von CATL, erwähnte kürzlich in einem Gespräch über Vollfestkörperbatterien genau dieses Beispiel. Er sagte, die meisten Verfahren in der Branche wenden einen sehr hohen äußeren Druck an, um alle Schichten zusammenzupressen. Aber bei jedem Lade- und Entladevorgang ändert sich das Volumen der Batterie. Nur durch äußeren Druck ist es sehr schwer, dauerhaft einen engen Kontakt zu gewährleisten.

Wie man dieses Problem löst, hängt von der Art der Festkörperbatterie ab. Festkörperbatterien bilden eine große Familie. Je nach verwendetem Elektrolytmaterial lassen sie sich hauptsächlich in drei Kategorien einteilen.

Erste Kategorie: Sulfide. Lithium-Ionen wandern darin am schnellsten, ihre Leitfähigkeit kann mit der von flüssigen Elektrolyten mithalten. Deshalb verfolgen viele große Hersteller, die Vollfestkörperbatterien in Autos einbauen wollen, diesen Weg. Zum Beispiel arbeitet Toyota mit dem japanischen Ölunternehmen Idemitsu Kosan zusammen, um sich auf Sulfid-Elektrolyte zu spezialisieren. Ihr Nachteil ist die Empfindlichkeit: Bei Kontakt mit Wasserdampf aus der Luft setzen sie giftiges Schwefelwasserstoff frei – das Gas mit dem Geruch von faulen Eiern. Deshalb muss die Herstellung in extrem trockener Umgebung stattfinden, und bei der Montage ist hoher Druck erforderlich, um alle Schichten fest zusammenzupressen.

Zweite Kategorie: Oxide. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Keramik. Sie ist stabil und hochtemperaturbeständig, aber hart und spröde. Der Kontakt mit den Elektroden funktioniert wie bei den beiden zuvor genannten Ziegeln. Heutzutage werden sie oft zu feinen Partikeln verarbeitet und auf den Separator gewöhnlicher Lithium