QuantumScapes neue Feststoffbatterie hält 1000 Ladezyklen durch – doch ihr wichtigster Fortschritt liegt woanders
Der US-amerikanische Batterieentwickler QuantumScape hat seine Feststoffbatterie-Plattform Osprey vorgestellt. Eine Testzelle behielt nach 1000 vollständigen Lade- und Entladezyklen rund 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität. Wichtiger noch: Die Batterie arbeitete bei einem äußeren Druck von nur einer Atmosphäre. Das könnte eines der größten Probleme von Feststoffbatterien entschärfen: den Bedarf an schweren und teuren Konstruktionen, die den erforderlichen Druck aufrechterhalten.
Feststoffbatterie ohne flüssigen Elektrolyten
Osprey kombiniert den keramischen Separator des Unternehmens mit einem anodenfreien Aufbau und einer Kathode, die einen sulfidbasierten Festelektrolyten enthält.
Anders als die frühere QSE-Plattform verwendet das neue Konzept keinen flüssigen Elektrolyten in der Kathode. Damit ist Osprey eine Vollfestkörper-Batteriezelle.
Anodenfrei bedeutet, dass bei der Herstellung der Batterie keine separate Lithium-Metall-Anode vorhanden ist. Beim ersten Laden lagert sich metallisches Lithium an der Oberfläche des keramischen Separators ab und bildet die für die Energiespeicherung benötigte Schicht.
Dieser Ansatz ermöglicht es, den Materialeinsatz zu verringern und die Energiedichte zu erhöhen. Herausforderungen bleiben jedoch eine ungleichmäßige Lithiumabscheidung und die Aufrechterhaltung des Kontakts zwischen den festen Materialien.
Sulfidbasierte Elektrolyte leiten Lithiumionen gut, doch viele bisherige Konzepte benötigen einen hohen äußeren Druck. Dadurch wird der Aufbau des Batteriepacks schwerer und komplexer.
1000 Zyklen ohne aufwendige Druckhaltekonstruktion
QuantumScape testete eine zweilagige Batteriezelle mit einer Kathode von 50 × 65 mm.
Bei 30 °C und einem äußeren Druck von einer Atmosphäre absolvierte die Zelle 1000 vollständige Lade- und Entladezyklen. Die Lade- und Entladerate betrug 1C, die Flächenkapazität der Kathode 5,5 mAh/cm².
Am Ende des Tests hatte die Zelle noch rund 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität.
Zum Vergleich: Manche sulfidbasierten Feststoffbatterien benötigen einen Druck von mehreren Dutzend Atmosphären. In einem großen Batteriepack würde das erhebliches zusätzliches Gewicht bedeuten.
Das Ergebnis von Osprey zeigt einen möglichen Weg, diese Einschränkung zu überwinden.
Allerdings muss die Größe der Testzelle berücksichtigt werden. Ihre Kapazität lag bei etwa 0,3–0,4 Ah, während die frühere QSE-5-Zelle von QuantumScape auf rund 5 Ah kommt.
Das Unternehmen hat damit gezeigt, dass die Technologie in einer kleinen Laborzelle funktioniert – noch nicht aber in einer für die Massenproduktion geeigneten Elektroautobatterie.
Fünf Minuten Ladezeit erforderten 80 °C
QuantumScape präsentierte auch weitere bemerkenswerte Ergebnisse.
Nach Angaben des Herstellers ließ sich der Ladezustand von Osprey in fünf Minuten von 10 % auf 80 % erhöhen. Allerdings fand der Test bei 80 °C statt und damit oberhalb der normalen Betriebstemperatur einer typischen Elektroautobatterie.
Das Unternehmen demonstrierte außerdem den Betrieb der Batterie bei -20 °C. Dabei behielt eine kleine einlagige Zelle etwa 68 % der bei Raumtemperatur gemessenen Kapazität. Im Test wurde ein vergleichsweise geringer Entladestrom verwendet.
QuantumScape prognostiziert für Osprey eine Energiedichte von bis zu 1100 Wh/l. Dieser Wert wurde allerdings noch nicht in einer fertigen großformatigen Zelle erreicht.
Zum Vergleich: Die QSE-5-Testzelle des Unternehmens hat eine volumetrische Energiedichte von etwa 844 Wh/l.
Bei der Einordnung der Osprey-Ergebnisse gilt es daher, drei Dinge zu unterscheiden: die gemessene Haltbarkeit, die unter besonderen Bedingungen erreichte Ladegeschwindigkeit und die prognostizierte künftige Energiedichte.
Volkswagen-Partnerschaft verschafft QuantumScape einen Vorteil
Zu den wichtigsten Partnern von QuantumScape zählt PowerCo, das Batterieunternehmen des Volkswagen-Konzerns.
Die Partnerschaft soll die Feststoffbatterietechnologie des Unternehmens in die Großserienproduktion bringen. QuantumScape entwickelt zudem die QSE-5-Plattform weiter und bereitet die Lizenzierung seiner Technologie an andere Batteriehersteller vor.
Osprey eröffnet eine weitere Geschäftsmöglichkeit. Partner können den keramischen Separator von QuantumScape mit eigenen sulfidbasierten Kathoden nutzen, ohne die gesamte Batteriechemie neu entwickeln zu müssen.
Das könnte QuantumScape eine größere Rolle als Technologielieferant verschaffen, statt nur Batteriezellen zu entwickeln.
Der Wettbewerb ist allerdings stark. Auch Toyota, Samsung SDI, BYD und mehrere andere Unternehmen entwickeln Feststoffbatterien. Ihre größte Herausforderung besteht nicht mehr allein darin, eine hohe Energiedichte zu erreichen, sondern eine stabile und wirtschaftlich tragfähige Massenproduktion sicherzustellen.
Produktionsreife ist für Elektroautos entscheidend
Eine Feststoffbatterie, die weniger Druck benötigt, könnte der europäischen Automobilindustrie erhebliche Vorteile bieten.
Wenn ein Batteriepack keinen sperrigen Druckmechanismus benötigt, lässt sich sein Strukturgewicht senken und Platz für zusätzliche Zellen schaffen. Das könnte sowohl die Reichweite als auch die Energiedichte verbessern.
1000 Ladezyklen allein reichen jedoch nicht aus. Autohersteller benötigen Nachweise zur Haltbarkeit, Sicherheit, Schnellladefähigkeit und Zuverlässigkeit großformatiger Zellen bei unterschiedlichen Temperaturen.
QuantumScape hat noch nicht bekannt gegeben, wann die Massenproduktion von Osprey beginnen soll.
Die größte Leistung von Osprey besteht daher nicht darin, nach 1000 Zyklen noch 80 % der Kapazität zu behalten, sondern dieses Ergebnis bei geringem äußeren Druck zu erreichen. Wenn das Unternehmen diese Eigenschaft auch bei größeren Batteriezellen beibehalten kann, könnte es ein wesentliches Hindernis für den Einsatz von Feststoffbatterien in Elektroautos beseitigen.
Derzeit ist es ein vielversprechendes Laborergebnis, das noch erhebliche Entwicklungsarbeit erfordert, um zu einem wettbewerbsfähigen Industrieprodukt zu werden.
