Von Tim Schäfer (Envites Energy) für die Initiative Pro Lithium-Ionen-Batterien

Viel hört und liest man in diesen Tagen über die neuen Lithiumbatterien, mit Feststoff (solid state Li), genauer einem Aufbau, der auf der negativen Seite mit reinem Li-Metall funktioniert. Im Labor gibt es dazu bereits brauchbare Ergebnisse, Probleme gibt es aber offenbar, dies kommerziell zu realisieren.

Nicht nur Dyson und VW versprechen sich insbesondere ff. von diesen Feststoffbatterien:

  • unter anderem eine deutlich höhere Energiedichte,
  • kürzere Ladezeiten,
  • eine längere Lebensdauer
  • sowie erhöhte Sicherheit.

Letzteres wäre tatsächlich aber nachzuweisen, denn die Sicherheit wird auch bei Defekten und Beschädigungen zu bestimmen sein und Li-Metall ist als reaktionsfreudig beschrieben, auch ein Einfluss von Temperatur ist zu bestimmen.

Jedoch scheint es aktuell noch verschiedene Schwierigkeiten bei der Entwicklung eines marktreifen Produkts zu geben. So ist beispielsweise Bosch vor nicht allzu langer Zeit aus der Entwicklung einer solchen Feststoffbatterie wieder ausgestiegen. Auch bezüglich Dyson gab es kürzlich ähnliche Meldungen, in denen von einer hohen Abschreibung im Zusammenhang mit Sakti3 berichtet wurde.

Quelle:  www.notebookcheck.com |   www.thetimes.co.uk

VW ist in Quantumscape (USA) eingestiegen, 2025 will man diese innoviert haben, in der Elektromobilität von Volkswagen. Das ist zeitlich noch etwas hin, und das US Unternehmen hat etliche Patente in bestimmten, geeigneten Materialien.

Ein Arbeitsgebiet des QUS Co-Founders Fritz Prinz ist der all-electron battery effect:

Improved energy storage is provided by exploiting two physical effects in combination. The first effect can be referred to as the All-Electron Battery (AEB) effect, and relates to the use of inclusions embedded in a dielectric structure between two electrodes of a capacitor. Electrons can tunnel through the dielectric between the electrodes and the inclusions, thereby increasing the charge storage density relative to a conventional capacitor,

der in dem folgenden Patent niedergelegt ist:

All-electron battery having area-enhanced electrodes

US20100255381A1 (2009-04-01)
Timothy P. Holme, Friedrich B. Prinz, Takane Usui

Diese Arbeit scheint aber keinen direkten Bezug zu der Li-FKB von QUS zu haben. Möglicherweise sind es aber Antiperovskit Materialien, die in dem folgenden Patent

Method for forming and processing antiperovskite material doped with aluminum material

US20140113187A1, 2012-10-23
Adrian Winoto, Anna Choi, Joseph Han, Will Hudson, Tim Holme, Cheng Chieh Chao

niedergelegt sind.

Solche Antiperovskit Materialien werden nämlich als Festelektrolytmaterialien für Li-FKB verwendet. In einer Publikation von Goodenough:

Alternative strategy for a safe rechargeable battery

  1. H. Braga, N. S. Grundish, A. J. Murchison, J. B. Goodenough,

Energy & Environmental Science.,10 (2017) 331

wurden Li-S Festkörperzelle mit einem glas-amorphen Alkali-Ionen Festelektrolyten auf der Basis des gedopten Antiperovskits Li3OCl vorgestellt, der eine hervorragende Leitfähigkeit auch bei Raumtemperatur aufwies.

Arrheniusauftragung der spezifischen Leitfähigkeit von Festelektrolyten

Abbildung: Arrheniusauftragung der spezifischen Leitfähigkeit von Festelektrolyten

Ein Blick in die Patentliste (zusammengestellt von Nowak Consulting, Klagenfurt, 27. Juni 2018) zeigt, das auch Garnets ein Schwerpunkt von QUS sind.

Thomson Innovation Clarivate Analytics

Quantumscape:  46 Inpadoc PatFam’s mit 186 records – Auszugsartig:

  • Quantumscape US8808405B2 Method of forming a solid state cathode for high energy density secondary batteries.pdf
  • Quantumscape US9293255B2 Solid state energy storage devices.pdf
  • Quantumscape US9553332B2 Solid state catholytes and electrolytes for energy storage devices.pdf
  • QuantumScape US9553346B2 Battery system with selective thermal management.pdf
  • Quantumscape US9666870B2 Composite electrodes for lithium ion battery and method of making.pdf
  • QuantumScape US9692039B2 Nanostructured materials for electrochemical conversion reactions.pdf
  • Quantumscape US9786905B2 Iron- fluorine- sulfur compounds for battery cell cathodes.pdf
  • QuantumScape US9806372B2 Garnet materials for Li secondary batteries and.pdf
  • Quantumscape US9966630B2 Annealed garnet electrolyte separators.pdf
  • Quantumscape WO2017015511A1 Processes and materials for casting and sintering green garnet thin films.pdf
  • Quantumscape WO2017015511A4 Processes and materials for casting and sintering green garnet thin films.pdf
  • Quantumscape WO2017096088A1 Lithium- phosphorus- sulfur- and iodine including electrolyte and catholyte compositions.pdf
  • Quantumscape WO2017131676A1 Annealed garnet electrolyte separators.pdf
  • Quantumscape WO2017197406A1 Solid electrolyte separator bonding agent.pdf
  • Quantumscape WO2018027200A1 Translucent and transparent separators.pdf
  • Quantumscape WO2018044952A1 Catholytes for solid state rechargeable batteries.pdf

Die Garnets sind analog wie Perovskit-Verbindungen Mixed-Oxid Systems und werden als Festkörper eingesetzt. 

feststoffbatterie2

Quelle.  www.golem.de |   www.quantumscape.com
Prof. Jürgen Garche, Ulm


Allgemein wird davon gesprochen, dass Li-Batterien mit Festelektrolyten, die Li-Festkörperbatterien  (Li-FKB) eine höhere spezifische Energie als konventionelle Li-Ionen Batterien mit flüssigen Elektrolyten (LIB) aufweisen.

Das ist nicht so, im Gegenteil, tauscht man den flüssigen Elektrolyten gegen einen Festelektrolyten (FE) nimmt aufgrund der höheren Dichte der FE im Vergleich zum organischen Elektrolyten die spezifische Energie sogar geringfügig ab.

Vergleich der spezifischen Energien von LIB und Li-FKB mit Graphit-Anoden

Vergleich der spezifischen Energien von LIB und Li-FKB mit Graphit-Anoden

Die prognostizierte höhere spezifische Energie von Li-FKB ist nur auf die Verwendung von metallischen Li-Elektroden zurückzuführen.

Vergleich der spezifischen Energien von Li-FKBs mit Graphit- und Li-Metall-Anode

 Vergleich der spezifischen Energien von Li-FKBs mit Graphit- und Li-Metall-Anode

 Der Einsatz von metallischen Li-Elektroden anstelle von Graphit ist theoretisch und praktisch auch in Li-Zellen mit organischen Elektrolyten möglich, stellt aber aufgrund einer hohen thermodynamischen Instabilität ein Sicherheitsrisiko dar. Die erste kommerzielle, wiederaufladbare Li-Batterie der Firma kanadischen Firma MOLI im Jahr 1988 war eine Zelle mit metallischer Li-Anode und flüssigem Elektrolyten und musste nach Explosionen im Jahr 1989 vom Markt genommen werden.

FE weisen gegenüber metallischem Li eine höhere Stabilität auf und ermöglichen so den Einsatz von hochenergetischem metallischem Li. Insofern ist “Solid-State” immer auch ein Synonym für „Li-Metal Anode“.

Da etwa ¾ der Energie herkömmlicher LIB auf die Verbrennungswärme des organischen Elektrolyten zurückgeht und keramische Festelektrolyte nicht brennbar sind, ist das Sicherheitsrisiko von Li-KFB stark reduziert.

Probleme stellen zurzeit die Kosten dar, die durch neue Herstellungstechnologien und dünne Li-Elektroden (Li-Barren: 200 €/kg, Li-Folie 30-40 μm: 3.000 €/kg) getrieben werden sowie die geringe Hochstromladefähigkeit, die durch die relativ geringe spezifische FE-Leitfähigkeit und die geringe Ladestromdichte der planaren (2D) Li-Elektrode gegeben ist.

Dazu hat sich auch die Expertin Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens geäußert, Quelle:

edison.handelsblatt.com (Feststoffbatterien-Stand)

 „Zum einen muss noch die optimale Materialkombination gefunden werden. Zum anderen ist die Prozessierbarkeit eine große Herausforderung. Sehr dünne keramische Schichten müssen großflächig fehlerfrei gefertigt werden. Dafür braucht es neue Produktionstechniken, um nicht nur einzelne Labormuster herzustellen, sondern auch Akkus im großen Maßstab. Die Entwicklung geeigneter Herstellprozesse und deren Hochskalierung in den Produktionsmaßstab kosten einfach noch viel Entwicklung und Zeit …“

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