Kunststoff hält Silizium zusammen
Dieses Problem kann mit elastischen Polymeren als Bindemittel zumindest soweit verkleinert werden, dass in Silizium-Anoden inzwischen deutlich mehr Lithium als in Graphit gespeichert werden kann. Tesla hat angekündigt, solche Techniken aus den Laboren in die Massenfertigung zu bringen. Anders als bei den längst ausgereizten Graphit-Anoden wird es in den nächsten Jahren wohl noch viele Verbesserungen beim Silizium geben.
In der Forschung deutet sich jedenfalls an, dass mit Silizium zumindest die fünffache Kapazität von Graphit erreicht werden kann. Zunächst dürfte das in der Produktion zu Gunsten der Stabilität noch nicht ausgereizt werden. Tesla hat sich für einen konservativen Weg zur Verbesserung der Anode entschieden. Einen, der noch einige Probleme aufwirft, etwa dass beim ersten Ladevorgang knapp 20 Prozent des Lithiums dauerhaft in der Anode verbleiben und möglichst vor der Produktion des Akkus hinzugefügt werden müssen.
Viel mehr Probleme macht jedoch der radikale Weg, den Firmen wie Quantumscape gehen wollen. Statt ein Gramm Lithium zusammen mit Graphit oder Silizium zu speichern, soll es einfach als Lithium-Metall gespeichert werden. Völlig aus dem Blick gerät dabei jedoch das große Ganze – der Rest des Akkus.
Nadelwald kann Stromfluss stören
In kommerziellen Kathoden mit hohem Nickelanteil werden 13 Gramm Nickel und Sauerstoff benötigt, um ein Gramm Lithium abgeben und aufnehmen zu können. Elektrolyte, Bindemittel, der Separator, die Metallfolien und das Batteriegehäuse kommen zusammen auf weitere 15 bis 20 Gramm. Ob eine perfekte Anode aus Lithium-Metall davon theoretisch ein oder zwei Gramm mehr einsparen könnte als eine Silizium-Anode, spielt am Ende keine große Rolle. Wichtig ist nur, dass die Anode kleiner und leichter wird. Entgegen der häufigen Darstellung, ist eine Anode aus reinem Metall aber nicht der einzige Weg, um sie stark zu verbessern.
Das Problem ist immer noch, dass sich Lithium-Metall beim Ladevorgang mit höheren Stromdichten in Form kleiner Nadeln bildet. Solange sie eine Art dichten „Wald“ aus sehr dünnen Nadeln bilden, ist das ungefährlich. Bei noch höherer Stromdichte entstehen jedoch auch größere Nadeln, sogenannte Dendriten, die den Separator durchdringen können. Normalerweise besteht so ein Separator aus einer einfachen porösen Kunststofffolie, deren Poren mit Elektrolyt gefüllt sind. Wird der Separator durchdrungen, kommt es zum Kurzschluss zwischen Kathode und Anode und der Akku ist zerstört.
Die Forschung konzentrierte sich deswegen lange auf Separatoren aus poröser Keramik, wie sie auch Quantumscape vor kurzem präsentiert hat. Sie sind aber meistens relativ dick und schwer, womit die Technik keinen großen Vorteil in den hochoptimierten Lithium-Ionen-Akkus mehr bringt. Aber selbst wenn die Separatoren dünner wären: Wenn das gesamte Produktionsverfahren neu entwickelt werden muss, das für flexible Plastik- und Metallfolien optimiert wurde, gehen Kostenvorteile durch kompaktere Akkus in der Produktion schnell verloren.
Kunststoffe können Keramik überholen
Eine Alternative sind Kunststoff-Separatoren aus UV-gehärtetem Polymeren. Auch dort ist die Dicke noch ein Problem. Ein Beispiel ist ein 2019 entwickelter Akku mit einem 150 Mikrometer dicken Separator, auf dem eine 600 Mikrometer dicke Kathode aufgebracht wurde, die aber zu 40 Prozent aus einem Polymer-Elektrolyt bestand. Der Aufbau hatte eine Energiedichte von 300 Wh/kg, allerdings ohne die Metallfolien und das Akku-Gehäuse. Ein kommerzieller Akku mit Graphit wäre besser gewesen.
Inzwischen gibt es einzelne Ergebnisse mit nur 10 Mikrometer dünnen Separatoren, die aus Polymeren mit Quarz-Nanokristallen bestehen oder einer 20 Mikrometer dicken Schutzschicht für herkömmliche Separatoren. Allerdings lassen sich solche Einzelergebnisse aus der Forschung nicht immer zu praxistauglicher Technik entwickeln. Außerdem ist die maximale Stromdichte der Ionen durch den Separator stark begrenzt, so dass Ladevorgänge schon mit normaler Kathodendicke mehrere Stunden dauern – viel länger also als etwa mit der Keramik von Quantumscape.
Dennoch ist absehbar, dass in den nächsten Jahren Separatoren in brauchbarer Qualität entwickelt werden, die in herkömmlichen Fertigungsanlagen verarbeitet werden können. Trotz des Entwicklungsrückstands macht sie das zu einer realistischeren Option als Keramik, bei der nicht nur der Separator, sondern auch der Rest der Produktion neu entwickelt werden muss. In den nächsten Jahren ist eine Massenfertigung jedoch für beide Lithium-Metall-Optionen unrealistisch, weshalb Teslas konservativer Ansatz mit Silizium derzeit die bessere Wahl ist.
Polymere halten höhere Spannung aus
Langfristig könnten die neuen Polymer-Separatoren und Polymer-Elektrolyte aber den Einsatz völlig neuer Stoffe für die Kathoden möglich machen. Ausgerechnet bei den Natrium-Ionen-Akkus könnten sich solche Polymere in Verbindung mit reinen Metall-Anoden zuerst durchsetzen. Sie funktionieren mit Natrium ähnlich gut wie mit Lithium.
Trotz aller Fortschritte sind Anoden für Natrium aber immer noch ineffizienter und haben weniger Kapazität als die Graphit-Anoden für Lithium, was eines der letzten Hindernisse für deren wirtschaftliche Produktion ist. Akkus ohne Lithium brauchen auch keine Kupferfolien und könnten schon mit etwas dickeren Separatoren einen wirtschaftlichen Vorteil bieten.
Der zweite Vorteil ist, dass die Polymere mehr Spannung aushalten als flüssige Elektrolyte. Das würde den Einsatz von Kathoden mit höherer Spannung erlauben, die mehr Energie pro Lithium-Ion freigeben können und dabei vielleicht auch insgesamt mehr Lithium-Atome abgeben und aufnehmen können.
Denn viele Lithium-Verbindungen konnten ohne stabile Elektrolyte kaum für die Verwendung in Akkus weiterentwickelt werden. Die Entwicklung neuer Stoffklassen wird viele Jahre in Anspruch nehmen, könnte dann aber die theoretische Energiedichte nochmals erhöhen. Doch auch ohne höhere Spannung wird an besseren Kathoden gearbeitet. Nur nützt eine immer höhere theoretische Energiedichte wenig, wenn sie in der Praxis durch den Rest des Akkus zunichte gemacht wird.