Enthüllung der "Batterie mit einer Reichweite von mehr als 2000 Kilometern"

Bei den Antriebsbatterien von Elektrofahrzeugen zeichnen sich heute zwei völlig unterschiedliche Entwicklungsrichtungen ab. Die eine geht nach unten. „In den nächsten zehn Jahren werden Lithiumeisenphosphat-Batterien weiterhin den inländischen Markt für Antriebs- und Energiespeicherbatterien dominieren“, erklärte Ouyang Minggao, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, am 28. Oktober auf der 33. Jahrestagung der Chinesischen Gesellschaft für Automobiltechnik, um die Lithiumeisenphosphat-Batterie zu unterstützen. Die andere Richtung geht nach oben. Ouyang Minggao erwähnte ebenfalls zwei Entwicklungswege: Der eine wird von Lithiumeisenphosphat repräsentiert und verfolgt niedrige Kosten, hohe Sicherheit und lange Lebensdauer; der andere wird von Dreielektrodenbatterien repräsentiert und zielt auf eine höhere Energiedichte ab. Noch fortschrittlicher als gewöhnliche Dreielektroden-Lithiumbatterien sind Festkörperbatterien. Und gegenüber Festkörperbatterien weist die Lithium-Luft-Batterie noch größere theoretische Leistungsvorteile auf. „Die Reichweite kann zweitausend oder sogar mehrere tausend Kilometer erreichen!“ „Das ist nur ein Konzept-Hype!“ Gegensätzliche Stimmen sorgen erneut für Aufruhr. Heute wird C Dimension aufdecken, was die Lithium-Luft-Batterie eigentlich ist: Ein zukünftiger Star oder ein reiner Werbegag?

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Ist die Lithium-Luft-Batterie noch „ultimativer“ als die Festkörperbatterie?

Vor einiger Zeit hat Wu Kai, Chefwissenschaftler von CATL, auf dem Forum für starke Ausrüstung die Lithium-Luft-(Lithium-Sauerstoff-)Batterie zu einem langfristigen Kernforschungs- und Entwicklungsrichtung des Unternehmens erklärt.

Die Lithium-Luft-Batterie wird auch als „atmende Batterie“ bezeichnet: Sie verwendet metallisches Lithium als negative Elektrode und nutzt direkt Sauerstoff aus der Luft als Reaktant für die positive Elektrode. Beim Entladen nimmt sie Sauerstoff auf, um Lithiumperoxid zu bilden; beim Laden gibt sie den Sauerstoff wieder frei, sodass die Batterie quasi „Luft atmen“ kann.

Da keine knappen positiven Elektrodenmaterialien wie Nickel, Kobalt und Mangan benötigt werden, ist die theoretische Energiedichte der Lithium-Luft-Batterie extrem hoch. Die theoretische Obergrenze im Labor kann mehrere tausend Wh/kg erreichen, was eine Reichweite von Elektrofahrzeugen von über tausend Kilometer ermöglicht.

Obwohl das Konzept der Lithium-Luft-Batterie bereits in den 1970er Jahren vorgeschlagen wurde, ist sie auch im Vergleich zur Festkörperbatterie noch viel zu weit von der Massenproduktion entfernt.

Sogar ein so starkes Unternehmen wie CATL stuft die Lithium-Luft-Batterie nur als langfristige Kernforschungsrichtung ein. Es ist nicht übertrieben zu sagen, dass dies ein Spitzenforschungsthema ist, bei dem man erst in zehn Jahren erste „Hoffnungsschimmer“ erwarten kann.

Damit die Lithium-Luft-Batterie offiziell in die Massenproduktion gehen kann, müssen weit mehr Probleme gelöst werden als bei der Festkörperbatterie – praktisch jeder Schritt des Lade- und Entladevorgangs ist voller großer Fallstricke.

Das größte Problem kommt vom Entladungsprodukt Lithiumperoxid.

Lithiumperoxid selbst ist nicht leitfähig und verstopft leicht die Mikroporen der Luftpositivelektrode. Beim Laden ist eine sehr hohe Spannung erforderlich, um es zu zersetzen, was einen hohen Energieverbrauch und starke Wärmeentwicklung verursacht. Außerdem bleibt immer ein Teil unvollständig zersetzt, sodass sich Nebenprodukte ansammeln und die Kapazität der Batterie schnell abnimmt.

Zweitens verunreinigen Wasserdampf und Kohlendioxid in der Luft direkt die Elektroden.

Die Lithium-Luft-Batterie kann zwar atmen, aber sobald Wasserdampf und Kohlendioxid eindringen, reagieren sie mit Lithium und Lithiumperoxid zu nicht wiederherstellbaren Substanzen, was die Batteriekapazität weiter blockiert.

Um normal zu funktionieren, muss ein komplexes Luftreinigungssystem installiert werden, das Wasser und Kohlendioxid entfernt. Mit dieser zusätzlichen Struktur verlieren die ursprünglichen Vorteile des geringen Gewichts und der hohen Energiedichte stark an Bedeutung.

Drittens ist auch die Auswahl des Elektrolyten sehr schwierig.

Gewöhnliche organische Elektrolyte werden leicht von aktiven Sauerstoffspezies im Reaktionszwischenzustand angegriffen und zersetzt. Außerdem neigt die negative Elektrode aus metallischem Lithium selbst zur Bildung von Dendriten und wird ständig von aktivem Sauerstoff angegriffen, was erhebliche Sicherheitsrisiken mit sich bringt.

Es ist bekannt, dass die meisten Labormuster derzeit nur einige hundert Zyklen erreichen, was weit von der Anforderung von mehreren tausend Zyklen für Fahrzeugantriebsbatterien entfernt ist. Darüber hinaus gibt es für Katalysatoren, luftdurchlässige Elektroden, Gas-Flüssigkeits-Dichtungen, BMS und Gasverwaltungssysteme noch keine ausgereifte Industriekette.

Im Vergleich dazu wirkt die Festkörperbatterie doch viel ausgereifter als die Lithium-Luft-Batterie, oder?

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Die Einführung von Standards ebnet den Weg für die Festkörperbatterie

Inzwischen haben die Akteure, die weltweit Festkörperbatterien entwickeln, klare Lager gebildet.

Unter den Batterieunternehmen betreiben alle führenden inländischen Hersteller wie CATL, BYD, CALB und Gotion High-Tech Forschung an Festkörperbatterie-Technologielinien; im Ausland investieren Unternehmen wie Toyota, Panasonic, QuantumScape, SES AI und Solid Power ebenfalls kontinuierlich in diesen Bereich.

Auf Seiten der Automobilhersteller plant BYD, ab etwa 2027 den Einbau von vollständigen Festkörperbatterien in Demonstrationsfahrzeugen zu starten und nach 2030 eine großflächige Einführung durchzuführen. Unternehmen wie Toyota, Honda, Nissan, Volkswagen, BMW und Hyundai haben ebenfalls Zeitpläne für den Testeinbau und die Massenproduktion veröffentlicht – das Jahr 2027 wird zu dem gemeinsam angestrebten wichtigen Zeitpunkt für den Einbau in kleinen Serien.

Für die tatsächliche industrielle Umsetzung der Festkörperbatterie fehlt es neben den Engpässen bei Materialien und Verfahren auch an passenden nationalen Standards und industriellen Planungen.

Der Industrieplan für neue Batterien im „15. Fünfjahresplan“ nennt ein klares Ziel: Bis 2030 soll die vollständige Festkörperbatterie erstmals eine großflächige Anwendung erreichen.

Gleichzeitig werden die nationalen Serienstandards für Festkörperbatterien schrittweise umgesetzt. Der Standard GB/T 48093.1-2026 „Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge – Teil 1: Begriffe und Klassifizierung“ wurde offiziell veröffentlicht, sodass die Festkörperbatterie erstmals einen verbindlichen „Standard“ hat.

Es wird berichtet, dass die Serienstandards für „Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge“ Begriffsdefinitionen, Klassifizierungen, Sicherheitsvorschriften und mehr umfassen und von dem China Automotive Technology and Research Center gemeinsam mit CATL, BYD, Gotion High-Tech, CALB und anderen Einrichtungen erarbeitet wurden.

Sie dienen hauptsächlich dazu, die Testmethoden und Sicherheitsanforderungen für Festkörperbatterien zu definieren und die bisherige unklare Definition in der Branche sowie die uneinheitlichen Testverfahren verschiedener Hersteller zu beseitigen.

Dieser Standard legt fest, dass Festkörperbatterien folgende Testbedingungen erfüllen müssen:

Erstens wird der Gewichtsverlust in einer Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von maximal 0,035 % getestet. Das vorbehandelte Prüfobjekt wird aufgebrochen, mit der Bruchstelle nach unten hängend mindestens 2 Minuten lang ruhen gelassen. Bei visueller Prüfung darf keine Flüssigkeit aus der Bruchstelle des Prüfobjekts austreten.

Zweitens wird das Prüfobjekt in einen Vakuumtrockenschrank gelegt, auf 120 °C erhitzt und 360 Minuten lang gehalten. Nach Ende der Prüfzeit wird der Vakuumtrockenschrank auf unter 50 °C abgekühlt, der Luftdruck auf Normaldruck zurückgesetzt, und der berechnete Gewichtsverlust darf 0,5 % nicht überschreiten.

Mit anderen Worten: Alle Batterien, die diese Reihe von Tests bestehen, können als Festkörperbatterie bezeichnet werden. Es muss jedoch klar sein: Gesetze und Standards „ebnen den Weg“, sie beschleunigen die Reifung nicht künstlich.

Politische Maßnahmen können Kapital und Forschungsressourcen auf die Festkörperbatterie lenken und die Hürden für die Markteinführung von Produkten senken, aber sie können die grundlegenden technischen Probleme wie Fest-Fest-Grenzflächen, Kosten und Ausbeute nicht direkt lösen.

Das ist auch der Grund, warum die Festkörperbatterie trotz langer Diskussionen immer noch kurz vor der Massenproduktion steht.

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Mehr als einen Rückstand fürchten Automobilhersteller das Fehlen von neuen Geschichten zum Erzählen

Viele Leser werden sich vielleicht fragen: Wenn Automobilhersteller bereits selbst Batterien entwickeln, warum gehen sie nicht gleich den vollen Schritt und forschen direkt an Festkörperbatterien und Lithium-Luft-Batterien, sondern kreisen stattdessen in den vorhandenen Systemen von Lithiumeisenphosphat- und Dreielektrodenbatterien?

Die Antwort ist einfach: Im Vergleich zu den weiter fortgeschrittenen Technologierichtungen brauchen die Automobilhersteller jetzt vor allem eine greifbare Geschichte, die sie erzählen können. Außerdem haben sie nicht genug Geld, um in etwas so unsicheres zu investieren.

Viele Menschen missverstehen die Eigenentwicklung von Batterien und glauben, dass sie gleichbedeutend mit dem Aufbau einer vollständigen eigenen Batteriezellen-Produktionslinie und der Entwicklung eines völlig neuen elektrochemischen Systems von Grund auf ist. Tatsächlich unterteilt sich die „Eigenentwicklung von Batterien“ bei Automobilherstellern in verschiedene Ebenen. Im aktuellen Stadium konzentriert sich der Kern der echten Eigenentwicklung hauptsächlich auf vier Bereiche:

Erstens das Integrationskonzept des Batteriepacks, also strukturelle Innovationen wie CTP und CTC, die direkt den Raum und das Gewicht des gesamten Fahrzeugs bestimmen;

Zweitens die Algorithmen für das Batteriemanagementsystem (BMS) und die Wärmemanagementstrategien, die die Schnellladefähigkeit, die Leistung bei niedrigen Temperaturen und die Lebensdauer der Batterie bestimmen;

Drittens die kundenspezifische Definition von Batteriezellen für die Szenarien des gesamten Fahrzeugs: Automobilhersteller legen basierend auf der Positionierung ihrer Modelle batterieherstellern spezifizierte kundenspezifische Batteriezellen vor, die zu ihrer eigenen 800V-Hochvoltplattform und den Anforderungen an 5C/6C-Schnellladen passen;

Viertens sammeln sie gleichzeitig Erfahrungen mit Materialien und Voruntersuchungen zu Festkörperbatterien, um zu vermeiden, dass sie bei der Ankunft des Festkörper-Zeitalters die grundlegende Konstruktion von Batteriezellen gar nicht verstehen und weiterhin passiv von externen Lieferanten abhängig sind.

Antriebsbatterien machen einen sehr hohen Anteil an den Gesamtkosten des Fahrzeugs aus. Reichweite, Schnellladefähigkeit, Sicherheit und andere Eigenschaften bestimmen direkt die Wettbewerbsfähigkeit des Produkts. Wenn die Batterie vollständig von externen Lieferanten definiert wird, fällt es Automobilherstellern schwer, differenzierte Erlebnisse zu schaffen, und ihnen fehlt zudem das „Sicherheitsgefühl“.

Deshalb haben Unternehmen wie Li Auto, GAC, Geely, Chery und Great Wall ihre Batteriegeschäfte aufgebaut. Einerseits wollen sie Probleme mit Schwankungen in der Lieferkette und mangelnder Verhandlungsmacht lösen.

Andererseits versuchen sie, die Batterie zu einem Kernverkaufsargument für die Produktstärke des Fahrzeugs zu machen, zum Beispiel 8-Minuten-Schnellladen, umfassender Schutz vor thermischem Durchgehen, langlebige Batteriepacks und mehr.

Aber der Markt ist hart: Die Leistungsvorteile von Lithiumbatterien haben ihre Obergrenze erreicht, der Spielraum für Verbesserungen bei Lithiumeisenphosphat- und Dreielektrodenbatterien ist begrenzt. Die führenden Batterieunternehmen haben bereits eine extreme Optimierung bei Materialien, Verfahren, Ausbeute und Kosten erreicht.

Für Automobilhersteller scheint die aktuelle massive Konzentration auf die Eigenentwicklung von Batterien die Kontrolle über die Lieferkette zu übernehmen, aber sie geraten leicht in die peinliche Situation, in der sie sich in alte Technologien verbeißen und neue Technologien fehlen.

Heißt das, dass man unter diesen Umständen gar keine Batterien mehr selbst entwickeln sollte?

Der Wettbewerb bei Antriebsbatterien ist längst nicht mehr nur ein Wettbewerb um Produktionskapazität und Integration, sondern ein Wettbewerb um vorausschauende Planung über einen Technologiezyklus von zehn Jahren. Die Eigenentwicklung von Batterien bei Automobilherstellern, angeführt von neuen Elektroauto-Marken, dient auch dazu, die eigene Markenstärke zu stützen, die erreichbaren Kosten zu senken und die Geschichte weiterzuerzählen.

Nur dass manche sie gut erzählen, andere nicht.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Offiziellen Konto „C Dimension“, Autor: Zhang Zhidong, Redakteur: Wang Yue, veröffentlicht mit Genehmigung von 36Kr.