Das Konzept der Anodenfreien Batterien. 

Tom Bötticher, diskutiert die potenziell revolutionäre Technologie anodenfreier Batterien, die von Unternehmen wie CATL und QuantumScape vorangetrieben wird, um die Reichweite von Elektroautos drastisch zu erhöhen und Produktionskosten zu senken. Der Chemiker und Akkuentwickler erklärt zunächst die Funktionsweise und die theoretischen Vorteile dieser Batterien, die sich ihre Anode beim ersten Laden selbst bilden. Hauptziel ist die Nutzung von reinem Lithium-Metall als Anode, um eine extrem hohe Energiedichte zu erreichen, wobei der Experte jedoch erhebliche Sicherheits- und Lebensdauerprobleme kritisiert, die oft verschwiegen werden. Abschliessend stellt der Autor das Konzept der Dual-Chemistry-Batterien als mögliche Umgehung der Nachteile vor, bleibt jedoch skeptisch hinsichtlich der Marktreife der anodenfreien Technologie für den Massenmarkt und bietet dem Zuschauer seinen Kurs für tiefgehendes Fachwissen an.

Vielen Dank an Tom Bötticher für diese interessante Einführung.
Video und Inhalt © Kanal: Tom Bötticher

Anodenfreie Batterien - ein potenzieller Wendepunkt in der E-Mobilität?

Die Entwicklung anodenfreier Batterien wird als ein potenzieller Wendepunkt in der E-Mobilität betrachtet, da diese Technologie in Aussicht stellt, die E-Auto-Reichweite auf über 1000 km zu steigern und die Produktionskosten für Batterien um 30% zu senken. Das Konzept erscheint auf den ersten Blick physikalisch unmöglich, wurde aber kürzlich vom chinesischen Akku-Riesen CATL auf dessen Tech-Days präsentiert, in der Hoffnung auf eine Revolution in der E-Mobilität.

1. Das Konzept der Anodenfreien Batterien.

1.1 Grundlegender Aufbau und Funktionsweise.

Eine herkömmliche Batteriezelle besteht aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, zwischen denen eine Elektrolytflüssigkeit den Austausch von Lithium-Ionen ermöglicht. Die Anoden-freie Batterietechnik verzichtet während der Produktion, wie der Name andeutet, auf die Anode. Sie stellt somit quasi nur eine „halbe Batterie“ dar.

Der zentrale Mechanismus dieser Technologie, von CATL als „self forming anode technology“ bezeichnet, beruht darauf, dass sich die Anode erst beim ersten Ladevorgang innerhalb der Zelle bildet:

1. Nach der Produktion befinden sich die positiv geladenen Lithium-Ionen in der Kathode.

2. Beim Aufladen wandern die Ionen zu einem Kupfer Stromableiter auf der Anodenseite.

3. Dort kombinieren die Ionen mit einem negativ geladenen Elektron zu einem Metall-Atom.

4. Das Lithium scheidet sich metallisch auf dem Stromableiter ab und bildet somit die Anode.

1.2 Angestrebte Vorteile und Einsparungen.

Das Verfahren ermöglicht die Nutzung von reinem Lithium-Metall. Reines Lithium-Metall gilt als „heiliger Gral der Batterietechnik“, da es das Material ist, das am meisten Lithium-Ionen pro Gewicht speichern kann.

Durch das Weglassen der Anode in der Produktion ergeben sich laut den Quellen folgende wesentliche Vorteile:

• Kostenreduktion: Der Produktionsaufwand wird halbiert. Da die Anodenproduktion 20% bis 30% des Preises einer Batteriezelle ausmachen kann, können die Produktionskosten der Batterie insgesamt um 30% verringert werden.
• Wegfall der Formierung: Es kann der extrem energieaufwendige und teure Schritt der Formierung der Graphit-Anoden entfallen, der in herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen zur chemischen „Aktivierung“ nötig ist.
• Kein Lithium-Überschuss: Die Anode besteht nur aus genau der Menge an Lithium, die elektrochemisch benötigt wird. Dies vermeidet die teuren und sicherheitskritischen Lithium-Überschüsse, die sonst bei herkömmlichen Lithium-Metall-Batterien nötig wären.
• Erhöhte Energiedichte: CATL behauptet, die Energiedichte gegenüber klassischen Lithium-Ionen-Zellen um 60% erhöht und die spezifische Energie (Energie pro Gewicht) um 50% gesteigert zu haben. Laut CATL soll die Zell-Energiedichte, kombiniert mit NMC-Kathoden, 1000 Wh pro Liter erreichen, was deutlich über den 600 bis 700 Wh/L aktueller Zellen liegt.
• An der Kommerzialisierung dieser Technik arbeitet auch das amerikanische Startup QuantumScape, in das VW investiert ist.

2. Technische Herausforderungen und Kritische Bewertung.

Der Einsatz von reinem Lithium-Metall und die anodenfreie Architektur führen jedoch zu erheblichen technischen Nachteilen und Problemen bei der Massenproduktion, die oft verschwiegen werden.

2.1 Notwendigkeit von Feststoffbatterien.

Da reines Lithium-Metall zu reaktiv ist und mit normalen, flüssigen Elektrolyten schnell in Flammen aufgehen würde, muss der flüssige Elektrolyt durch einen Feststoffelektrolyten ersetzt werden. Jede anodenfreie Lithium-Ionen-Zelle ist typischerweise gleichzeitig eine Feststoffbatterie.

Feststoffbatterien haben massive Probleme bei der Massenproduktion:

1. Hoher Druck: In diesen Zellen stehen nur Feststoffe in Kontakt, was die Leitfähigkeit im Vergleich zu einer Flüssigkeit verschlechtert. Daher müssen hohe Drücke angewandt werden, um sie zu produzieren und unter hohen Drücken in den Auto-Akkus verbaut werden.

2. Kosten und Lithiumbedarf: Feststoffelektrolyte sind extrem teuer. Ironischerweise benötigen sie zudem deutlich mehr Lithium als Flüssigelektrolyte.

2.2 Probleme der Anodenfreien Architektur

Zusätzlich zu den Problemen der Feststoffelektrolyte kommen spezifische Herausforderungen der anodenfreien Architektur hinzu:

• Dendritenbildung: Damit die Technologie funktioniert, muss sich das Lithium sehr gleichmässig auf der Kupfer-Ableiterfolie abscheiden. Lithium lagert sich jedoch inhomogen ab, bevorzugt dort, wo bereits Lithium vorhanden ist. Dies führt zur Bildung kleiner Lithium-Äste, den sogenannten Dendriten.
• Reduzierte Lebensdauer und Gefahr: Dendriten können schnell abbrechen, was die Kapazität und Lebensdauer drastisch reduziert. Im schlimmsten Fall können sie den festen Elektrolyten durchstechen und einen Kurzschluss auslösen. Schon kleinste Mengen an Fremdatomen oder Unebenheiten beschleunigen dieses Wachstum, was die Ausschussrate in Fabriken erhöht.
• Chemische Alterung: Bei jedem Lade- und Entladevorgang reagiert das Lithium langsam mit den festen Elektrolyten. Diese chemischen Reaktionen verbrauchen Lithium und reduzieren kontinuierlich die Kapazität der Zellen.

Diese Probleme führen zu enormen Lebenszeit- und Kosten-Problemen. In einem Labor in Kanada, das jahrelang an der Technik forschte, wurden die Arbeiten wegen der "grottigen" Lebensdauer eingestellt. Die Kosteneinsparung durch den Wegfall der Anode wird hinfällig, wenn die Produktionskosten an anderer Stelle enorm sind und die Batterien schnell ihren Dienst versagen.

3. Lösungsansatz: Dual-Chemistry-Batterien.

Zur Bewältigung der Lebensdauerprobleme schlägt CATL sogenannte Dual-Chemistry-Batterien vor, bei denen das Akkupack in zwei Zonen mit unterschiedlichen Batteriechemien unterteilt wird.

3.1 Die Dual-Power-Architektur.

Die Aufteilung sieht wie folgt aus:

1. Zone 1: Enthält herkömmliche, langlebige Lithium-Ionen-Zellen (z.B. NMC- oder LFP-Zellen) für Alltagsfahrten.

2. Zone 2: Enthält die neuen Anoden-freien-Zellen, möglicherweise in Kombination mit LFP- oder Natrium-Zellen in Zone 1.

Die anodenfreien Zellen sollen nur bei Langstreckenfahrten, wenn hohe Reichweite benötigt wird, aktiviert werden. Im Alltag sollen sie abgeschaltet bleiben, um ihre vorschnelle Alterung zu unterbinden und die Lebensdauer für seltene Langstrecken ausreichen zu lassen. CATL bezeichnet dies als „Dual-Power-Architektur“ und verspricht dadurch eine stabilere und zuverlässigere Stromversorgung.

3.2 Expertenschätzung.

Der Experte hält diesen Ansatz jedoch nicht für sinnvoll. Der Hauptkritikpunkt ist, dass die anodenfreien Zellen auch kalendarisch altern – das heisst, sie altern einfach über die Zeit, auch wenn sie nicht aktiv genutzt werden. Zudem bleiben die hohen Kosten der anodenfreien Zellen weiterhin ein Problem.

4. Fazit und Realistische Einschätzung.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Technologie der anodenfreien Batterien zwar massive theoretische Vorteile in Bezug auf Energiedichte und Kostenreduktion in der Produktion bietet, jedoch mit schwerwiegenden, inhärenten Herausforderungen in Bezug auf Lebensdauer und Massenproduktion konfrontiert ist.

Der Experte schätzt die Technologie derzeit als realistischer für Consumer-Anwendungen wie Drohnen ein, wo zwar eine sehr hohe Energiedichte, aber keine zwingend hohe Lebensdauer erforderlich ist. Im Hinblick auf E-Autos empfiehlt der Experte, sich in den nächsten Jahren keine zu grossen Hoffnungen zu machen, und hält die jüngsten Ankündigungen von CATL für einen möglichen PR-Stunt.

Fabriken für E-Autos auf Basis dieser Technologie jetzt aufzubauen, wäre nach Ansicht des Experten ein „Millionengrab“. Dennoch bleiben Dual-Chemistry-Batterien, wie die Kombination von LFP und NMC-Zellen, weiterhin ein spannendes Thema.

Disclaimer / Abgrenzung

Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.

Vielen Dank an Tom Bötticher für diese interessante Einführung.
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