Die Entwicklung leistungsfähiger Batterien gilt als einer der wichtigsten Schlüssel für die nächste Generation von Elektroautos. Entsprechend intensiv arbeiten Autohersteller und Zellentwickler an neuen Zellchemien, die mehr Reichweite, geringere Kosten und höhere Sicherheit versprechen. Eine der vielversprechendsten Technologien ist dabei die Lithium-Metall-Batterie.
Aktuell rückt diese Technologie erneut in den Fokus: Die Elektroauto-Sparte Ampere der Renault Group hat eine Entwicklungskooperation mit dem spanischen Batterieunternehmen Basquevolt geschlossen, um Lithium-Metall-Zellen für zukünftige Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Ziel der Partnerschaft ist es zunächst, sogenannte "Pre-A"-Musterzellen zu entwickeln und zu validieren – also frühe Prototypen für den Einsatz in Fahrzeugen.
Unterschied zur Lithium-Ionen-Batterie
Um zu verstehen, warum Lithium-Metall-Batterien als möglicher Technologiesprung gelten, lohnt ein Blick auf ihren Aufbau. Wie jede Batterie bestehen auch sie aus drei zentralen Komponenten:
- einer negativ geladenen Anode
- einer positiv geladenen Kathode
- einem Elektrolyten, der den Ionentransport ermöglicht
Der entscheidende Unterschied liegt in der Anode. In heutigen Lithium-Ionen-Batterien besteht sie meist aus Graphit. Beim Laden wandern Lithium-Ionen von der Kathode in dieses Graphitgitter und lagern sich dort ein – ein Prozess, der als Interkalation bezeichnet wird. Bei Lithium-Metall-Batterien entfällt dieses Graphitgitter. Stattdessen wird reines Lithium-Metall als Anodenmaterial verwendet. Die Lithium-Ionen lagern sich beim Laden direkt als metallische Schicht ab. Diese Änderung hat große Auswirkungen auf die Energiedichte.
Deutlich höhere Energiedichte
Reines Lithium besitzt eine theoretische Kapazität von rund 3.860 mAh pro Gramm, während Graphit nur etwa 372 mAh pro Gramm erreicht. Der Wegfall der schweren Graphitanode ermöglicht daher deutlich kompaktere und leichtere Batteriezellen. In der Praxis könnte die Energiedichte von heutigen Lithium-Ionen-Batterien mit etwa 250 bis 300 Wh/kg auf Werte von 450 Wh/kg oder mehr steigen. Für Elektroautos würde das zwei mögliche Vorteile bedeuten: Eine deutlich größere Reichweite bei kleineren und leichteren Batteriepacks. Und auch die Schnellladefähigkeit und thermische Stabilität könnten verbessert werden.
Kooperation Renault und Basquevolt
Vor diesem Hintergrund arbeitet Ampere – die Elektroauto-Einheit der Renault Group – gemeinsam mit Basquevolt an der Weiterentwicklung dieser Technologie. Das spanische Unternehmen entwickelt Lithium-Metall-Zellen mit Polymer-Elektrolyt, der mehrere Vorteile verspricht:
- höhere Energiedichte
- verbesserte thermische Stabilität
- schnellere Ladefähigkeit
- einfachere Produktion
Nach Angaben von Renault könnte die Technologie auch ökonomische Vorteile in der Zellproduktion bringen. Der Polymer-Elektrolyt soll eine vereinfachte Fertigung ermöglichen, wodurch der Kapitalbedarf einer Gigafactory um rund 30 Prozent pro Gigawattstunde Kapazität sinken könnte. Gleichzeitig könnte der Energieverbrauch bei der Zellproduktion ebenfalls um etwa 30 Prozent reduziert werden. Basquevolt testete bereits Mehrschicht-Zellen mit einer Energiedichte von rund 450 Wh/kg. In der aktuellen Entwicklungsphase sollen zunächst frühe Prototypen entstehen. Diese dienen vor allem dazu, die Technologie unter realen Bedingungen zu testen und verschiedene Entwicklungsansätze zu vergleichen.
Größte Herausforderung: Dendriten
Trotz ihrer Vorteile haben Lithium-Metall-Batterien bislang einen entscheidenden Nachteil: ihre begrenzte Lebensdauer. Beim Laden kann sich das Lithium an der Anode nicht immer gleichmäßig ablagern. Statt einer glatten Metallschicht entstehen manchmal nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten. Diese Lithium-Kristalle können mit der Zeit durch den Separator wachsen und die Kathode erreichen. Passiert das, entsteht ein interner Kurzschluss – im Extremfall kann die Zelle überhitzen oder sich entzünden.
Außerdem geht durch die ständige Neubildung und Auflösung von Lithium aktives Material verloren, was die Zyklenfestigkeit reduziert. Viele frühe Lithium-Metall-Batterien erreichen daher bislang nur wenige Dutzend Ladezyklen.
Schutzschichten als Schlüssel zur Stabilität
Eine wichtige Rolle spielt deshalb die Schutzschicht an der Anodenoberfläche, die sogenannte Solid Electrolyte Interphase (SEI). Sie entsteht durch Reaktionen zwischen Elektrolyt und Lithium-Metall und wirkt wie eine Art Schutzfilm. Forscher vergleichen sie manchmal mit Zahnschmelz: Sie schützt das Lithium vor weiterer Reaktion mit dem Elektrolyten und sorgt dafür, dass sich das Metall gleichmäßiger ablagert.
Fluorhaltige Moleküle im Elektrolyten helfen, diese Schutzschicht zu stabilisieren. Allerdings müssen dafür bisher relativ große Mengen an fluorierten Salzen und Lösungsmitteln eingesetzt werden – was den ökologischen Fußabdruck der Batterien verschlechtert. Forscher arbeiten daher daran, die Menge dieser Zusatzstoffe zu reduzieren.
Ein Team um die Elektrochemikerin Maria Lukatskaya an der ETH Zürich hat beispielsweise eine Methode entwickelt, bei der elektrisch geladene fluorhaltige Moleküle gezielt zur Bildung der Schutzschicht eingesetzt werden. Diese Moleküle fungieren als Transportvehikel, die Fluor direkt an die Grenzfläche der Anode bringen. Dadurch lässt sich der Fluoranteil im Elektrolyten drastisch reduzieren – auf etwa 0,1 Gewichtsprozent, was mehr als 20-mal weniger ist als in früheren Ansätzen. Das Ergebnis sind stabilere Zellen, geringere Materialkosten und ein besserer ökologischer Fußabdruck.
Lithium-Metall und Feststoffbatterien
Oft werden Lithium-Metall-Batterien mit Feststoffbatterien gleichgesetzt. Technisch sind die Begriffe jedoch nicht identisch. Der Grund für die Verwechslung: Viele Forschungsprojekte kombinieren Lithium-Metall-Anoden mit festen Elektrolyten aus Keramik oder Polymer. Diese festen Materialien können als mechanische Barriere wirken und das Wachstum von Dendriten unterdrücken.
Deshalb gelten Feststoffbatterien mit Lithium-Metall-Anode als eine der wahrscheinlichsten Architekturformen für zukünftige Hochleistungsbatterien. Trotz intensiver Forschung befinden sich Lithium-Metall-Batterien weiterhin überwiegend in der Entwicklungsphase. Die Partnerschaft zwischen Ampere und Basquevolt zeigt, dass die Industrie zunehmend konkrete Schritte Richtung Fahrzeuganwendung unternimmt. Bis zur großflächigen Serienproduktion dürften jedoch noch mehrere Entwicklungsstufen folgen.
