Spinoff eröffnet neue Möglichkeiten für Batterien

Das Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), ein Energie-Innovationszentrum unter der Leitung des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), hat dieses Dilemma erkannt, als es 2012 gegründet wurde. JCESR bringt mehr als 150 Forscher aus 20 Institutionen - darunter nationale Laboratorien, Universitäten und die Industrie - zusammen, um Materialien zu entwickeln, die bahnbrechende Batterien ermöglichen.

"Das JCESR entwickelt und erprobt die Ideen, die schließlich auf den Markt kommen", so George Crabtree, Direktor des JCESR und leitender Wissenschaftler bei Argonne. Dies sind die risikoreicheren Ideen, die kein Investor finanzieren würde - und die Unternehmen wahrscheinlich nicht verfolgen würden - weil der Ausgang so ungewiss ist. Wenn sich diese Ideen bewähren, können sie den raschen Fortschritt beim Klimawandel vorantreiben, den wir brauchen."

Die erfolgreiche Entwicklung des JCESR-Spinoff-Unternehmens Blue Current zeigt, wie weise dieser Ansatz ist. Im Jahr 2015 entdeckte eines der JCESR-Labors ein vielversprechendes neues Batteriematerial, ein sogenanntes Komposit, das Batterien erheblich sicherer machen kann. Inspiriert durch das Potenzial des Verbundstoffs entwickelte Blue Current diesen weiter. Jetzt fährt Blue Current die Produktion seiner Batteriezellen hoch. Darüber hinaus hat ein Zweig von Koch Industries 30 Millionen Dollar in das Unternehmen investiert, um seine erste Pilotfabrik im Megawattmaßstab in Hayward, Kalifornien, zu bauen.

Von Anfang an auf Sicherheit bedacht

Sicherheit ist bei Batterien ein wichtiges Thema. Beim Laden und Entladen von Batterien transportieren Substanzen, die als Elektrolyte bezeichnet werden, die Ladung zwischen der positiven und negativen Elektrode. Die flüssigen Elektrolyte, die in vielen handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien enthalten sind, sind brennbar.

Seit der Gründung von Blue Current war es oberste Priorität, eine völlig sichere Batterie zu entwickeln. Gleichzeitig hat das Unternehmen große Anstrengungen unternommen, um sicherheitsrelevante Kompromisse bei der Konstruktion zu vermeiden, die andere Batteriehersteller eingegangen sind. Sein primärer Zielmarkt sind Elektrofahrzeuge (EVs).

"Die Unterstützung des Übergangs zu nachhaltiger Energie ist Teil unserer Kernaufgabe, und Elektrofahrzeuge bieten die beste Plattform dafür", sagte Kevin Wujcik, Chief Technology Officer von Blue Current. Wujcik war Mitglied des JCESR-Forschungsteams, das den Verbundwerkstoff entdeckt hat. Zu dieser Zeit promovierte er an der University of California in Berkeley.

Die Entwicklung von Batterien für Elektrofahrzeuge ist eine besondere Herausforderung, da viele Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden müssen. Eine EV-Batterie muss sowohl ein Marathonläufer als auch ein Sprinter sein", sagt Wujcik. Sie muss eine sehr große Reichweite haben und lange Zeit funktionieren. Aber sie muss auch in der Lage sein, sehr schnell zu laden. Und sie muss bei niedrigen und hohen Temperaturen gut funktionieren".

Zwei international anerkannte Batterieforscher gründeten Blue Current im Jahr 2014. Nitash Balsara ist Wissenschaftler am JCESR, Professor für Chemieingenieurwesen an der University of California, Berkeley, und leitender Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory. Joseph DeSimone, der 2014 Chemieprofessor an der University of North Carolina in Chapel Hill war, ist heute Professor für Chemieingenieurwesen in Stanford.

Ein früher Drehpunkt

Festkörperbatterien, die feste Elektrolyte enthalten, sind wesentlich weniger brennbar als Flüssigbatterien. Aus diesem Grund betrachten viele Batterieentwickler Festkörpertechnologien als Schlüssel zur Entwicklung völlig sicherer Batterien. Feste Elektrolyte sind jedoch mit vielen technischen Herausforderungen konfrontiert, und bisher hat noch kein Unternehmen erfolgreich eine Festkörperbatterie auf den Markt gebracht.

Eine kristalline Klasse von Feststoffen, die so genannten Glaskeramiken, haben eine gute Leitfähigkeit, d. h. die Fähigkeit, Lithiumionen schnell zu transportieren. Ihnen fehlt jedoch die Fähigkeit, an den chemisch aktiven Materialien der Batterieelektroden zu haften, die die Lithiumionen speichern.

Eine andere Klasse von Materialien, die so genannten Polymere - große Moleküle mit sich wiederholenden chemischen Einheiten - haften gut an den Elektroden. Sie haben jedoch eine geringe Leitfähigkeit.

Zunächst konzentrierte sich Blue Current auf die Entwicklung einer Batteriezelle mit einem nicht entflammbaren flüssigen Elektrolyten. Dann, im Jahr 2015, machte Balsaras Labor im Rahmen der vom JCESR geförderten Forschung eine bahnbrechende Entdeckung, die sich als prägendes Ereignis für Blue Current erwies. Das Labor ging die Mängel von Glaskeramik und Polymeren an, indem es sie miteinander verband. Der daraus resultierende feste Komposit-Elektrolyt zeigte eine gute Leitfähigkeit und gute Klebrigkeit. Blue Current erkannte das Potenzial des Verbundwerkstoffs, wichtige Herausforderungen bei Festkörperbatterien anzugehen, und wechselte 2016 in den Bereich der Festkörperbatterien.

"Durch die Kombination dieser Materialien löste die JCESR-Entdeckung die Herausforderungen, die jedes Material für sich genommen hatte", so Wujcik. "Wir haben beschlossen, dass die Verwendung von Verbundwerkstoffen der beste Weg ist, um die sicherste Batterie zu entwickeln."

"Die Wissenschaft auf den Punkt gebracht"

Ursprünglich bestand die Anode (negative Elektrode) der Batteriezelle von Blue Current aus Lithiummetall. Im Jahr 2018 entschied sich das Unternehmen dann, Silizium als chemisch aktives Anodenmaterial zu verwenden. Ein Grund für diesen Wechsel war die Sicherheit: Lithiummetall ist hochreaktiv und entflammbar, auch in Festkörperbatterien.

Seit 2018 hat das Unternehmen seine Verbundelektrolyte, Siliziumanoden und andere Batteriematerialien weiterentwickelt, um die technischen Herausforderungen der Festkörpertechnologie zu lösen.

"Wir haben uns darauf konzentriert, die Wissenschaft richtig zu machen", sagt Wujcik.

Eine Herausforderung im Bereich der Festkörperbatterien ist der für eine gute Batterieleistung erforderliche Druck. Damit die festen Elektrolyte an den Elektroden haften, fügen einige Unternehmen schwere Metallplatten und Bolzen hinzu, die die Batteriezellen unter hohen Druck setzen. Diese Vorrichtungen erhöhen die Herstellungskosten und verringern gleichzeitig die Energiedichte - die Energiemenge, die in Batterien pro Gewichts- oder Volumeneinheit gespeichert werden kann. Eine geringere Energiedichte bei Elektroauto-Batterien führt zu kürzeren Reichweiten, es sei denn, der Hersteller erhöht die Größe und das Gewicht der Batterien. Kürzere Reichweiten machen E-Fahrzeuge für die Verbraucher weniger attraktiv.

Die Vision von Blue Current besteht darin, die Haftfähigkeit und Elastizität seines Verbundelektrolyten zu nutzen, um den für den Betrieb der Zellen erforderlichen Druck zu verringern. Der Verbundwerkstoff ist in der Lage, einen guten Kontakt mit den Siliziumpartikeln in der Anode aufrechtzuerhalten - ohne den Einsatz von schweren Metallplatten. Dies ist eine beeindruckende Leistung: Silizium dehnt sich beim Laden und Entladen einer Batteriezelle aus und zieht sich zusammen, was es für feste Elektrolyte besonders schwierig macht, den Kontakt aufrechtzuerhalten.

Eine zweite Herausforderung, die Blue Current gemeistert hat, betrifft die Temperatur. Da Polymerelektrolyte eine geringe Leitfähigkeit haben, verwenden viele Entwickler von Festkörperbatterien Heizelemente, um die Temperatur der Zellen zu erhöhen. Die Wärme verbessert zwar die Leitfähigkeit der Polymere, erfordert aber Energie, was die Kosteneffizienz der Batterie verringert. Aus diesem Grund ist dieser Ansatz für viele kommerzielle Anwendungen nicht praktikabel. Dank der hohen Leitfähigkeit der Komposit-Elektrolyte von Blue Current können die Zellen heute bei Raumtemperatur effektiv betrieben werden.

Entwickler von Festkörperbatterien haben oft Schwierigkeiten, kosteneffiziente, großtechnische Herstellungsverfahren zu entwickeln. So erfordern Festkörperzellen mit Lithium-Metall-Anoden spezielle Fertigungsanlagen, um die Bildung von Dendriten während des Batteriebetriebs zu vermeiden. Dendriten sind nadelförmige Lithiumstrukturen, die die Batterien unsicherer und weniger haltbar machen.

Blue Current hat diese Hürde durch die Auswahl erschwinglicher, reichlich vorhandener Siliziumanodenmaterialien überwunden. Darüber hinaus hat das Unternehmen seine Komponenten so konzipiert, dass sie mit denselben Geräten verarbeitet werden können, die heute von Herstellern von Lithium-Ionen-Batterien in großen Stückzahlen verwendet werden.

Die Zellen von Blue Current haben eine hervorragende Leistung gezeigt. Im Rahmen strenger Sicherheitstests hat das Unternehmen seine Zellen harten Bedingungen ausgesetzt, denen Elektrofahrzeuge in der realen Welt ausgesetzt sein können, einschließlich Quetschungen, Durchstichen und Überladung. Thermisches Durchgehen - ein Überhitzungsereignis in Batterien, das zu Bränden führen kann - trat nie auf.

"Wenn man das thermische Durchgehen beseitigt, macht man die Batterie viel sicherer", so Crabtree vom JCESR. Dies ist besonders wichtig bei Elektrofahrzeugen. Die Batterien befinden sich unter den Beifahrersitzen".

In anderen kürzlich durchgeführten Tests behielten die Zellen von Blue Current nach mehr als 1.000 Lade-/Entladezyklen 85 % ihrer Energiekapazität - das entspricht einer Fahrleistung von Hunderttausenden von Kilometern. Dies ist ein vielversprechendes Zeichen dafür, dass die Zellen lange halten werden. Nach einer Faustregel der EV-Industrie ist eine Kapazitätserhaltung von 80 % hervorragend.

Der Weg in die Zukunft

Blue Current rüstet derzeit seine Pilotproduktionsanlage in Hayward mit Anlagen für die Großserienfertigung aus. Nach ihrer Fertigstellung im Jahr 2023 wird die Anlage eine jährliche Produktionskapazität von 1-2 Megawattstunden haben. Hier werden die Spezifikationen für die Herstellung noch größerer Mengen entwickelt. Die Anlage wird den Grundstein für die nächste Anlage legen", so Wujcik.

Blue Current plant auch, sich weiterhin auf Forschung und Entwicklung zu konzentrieren. Wir beobachten, dass sich die Batterieindustrie auf die Verwendung von Siliziumanoden verlagert, um die Leistung sowohl von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien als auch von Festkörperbatterien der nächsten Generation zu verbessern", so Wujcik. Da sich der Bereich der Festkörpersiliziumbatterien noch in einem frühen Stadium befindet, ist es für uns von entscheidender Bedeutung, unsere Bemühungen zur Entwicklung neuer Materialien fortzusetzen.

In der Tat eröffnet der Erfolg von Blue Current mit Festkörpersiliziumbatterien ein neues Feld, das Forscher und andere Unternehmen erforschen können. In diesem Bereich gibt es noch viel zu tun", so Wujcik. Forscher können untersuchen, welche Festelektrolyte und Siliziummaterialien zu verwenden sind und wie zusammengesetzte Elektrolyte an den Anodenmaterialien haften".

Wujcik würdigte die wichtige Rolle des JCSER für den Erfolg von Blue Current.

"Die Idee, Verbundwerkstoffe in Batterien einzusetzen, war vor dem JCESR-Programm neu und unbewährt", sagte er. Das JCESR hat Ressourcen für Verbundwerkstoffe bereitgestellt, weil die Materialien das Potenzial hatten, den Marktbedarf an sicheren Festkörperbatterien zu decken und gleichzeitig wichtige technische Herausforderungen zu lösen. Durch die Erprobung dieser Materialien hat das JCESR es uns sehr erleichtert, die Technologie voranzutreiben."