Akkus für Elektroautos: Was taugt Lithium-Metall?

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Forscher interessieren sich schon seit langem für Lithium-Metall-Batterien als leistungsstarkem Ersatz für die scheinbar alternativlosen Lithium-Ionen-Zellen – die in allem vom Handy bis zum Tesla stecken. Doch bislang ist es nicht gelungen, erschwingliche wiederaufladbare Versionen herzustellen – allzu häufig fangen sie sogar Feuer.

Doch Ende 2020 kündigte Jagdeep Singh, CEO des topfinanzierten Silicon-Valley-Start-ups QuantumScape, das ein Joint Venture mit Volkswagen ist, in einem Interview an, dass die Lösung gefunden sei: VW dürfe die Batterien bis 2025 in seinen Elektrofahrzeugen erwarten – und zwar kostengünstig und vielseitig einsetzbar. Nach langem Warten hat QuantumScape mittlerweile auch Laborergebnisse veröffentlicht.

80 Prozent in 15 Minuten

Die Technik, die Singh so zuversichtlich macht, basiert teilweise auf einer Festkörperbatterie. Statt einer Flüssigkeit (wie bei den meisten Batterien) stützt diese sich auf ein Festelektrolyt. Der Ansatz gilt als interesant, doch bislang nicht praktikabel. QuantumScapes neueste Ergebnisse lassen dennoch aufhorchen: Die Batterien sind in weniger als 15 Minuten zu 80 Prozent geladen. (Zum Vergleich: Nach einem "MotorTrend"-Versuch braucht Teslas Supercharger der dritten Generation bei einem Model 3 rund 37 Minuten, um die Batterie von 5 auf 90 Prozent zu bringen.

Und: Mehr als 80 Prozent der Kapazität bleibt nach über 800 Ladezyklen erhalten, was knapp 390.000 Kilometern entspricht. Die Batterien zeigen sich widerstandsfähig gegen zu aggressives Laden und sollen auch weniger sensibel auf Entladezyklen reagieren. Die Firma ist zuversichtlich, dass sie die Fahrreichweite gegenüber anderen E-Autos mit Standard-Lithium-Ionen-Akkus um 80 Prozent erweitern kann – wirklich getestet wurde das aber noch nicht.

Dünner Separator, keine klassische Anode

QuantumScapes Technik stützt sich auf zweierlei Entwicklungen: Erstens verfügt sie über ein keramisches Festköperelektrolyt, das auch als Separator dient. In einer Lithium-Metall-Batterie bestehen beide Elektroden aus Lithium – somit kann mehr Energie gespeichert werden. Doch das Metall ist hochreaktiv und produziert darüber hinaus sogenannte Dendriten, die den Separator in der Mitte der Batterie durchstoßen können und zu Kurzschlüssenführen. QuantumScapes Variante ist nur einige zehn Mikrometer dick, unterdrückt die Bildung von Dendriten und lässt Lithiumionen dennoch leicht hin und her passieren. Das verwendete Material will Singh nicht verraten – "Geschäftsgeheimnis", heißt es; die Entwicklung dauerte immerhin zehn Jahre – doch Patentanmeldungen lassen Batterieexperten vermuten, dass es sich um das Oxid "LLZO" handelt.

Die zweite Errungenschaft ist die (quasi) fehlende Anode. Während die Batterie lädt, wandern die Lithiumionen auf der Seite der Kathode durch den Separator und bilden eine flache Schicht bis zum elektrischen Kontakt am Batterienende. Somit kann fast das gesamte Lithium während des Entladungszyklus zur Kathode zurückkehren. Es braucht dann keine Wirtsmaterial mehr, das nicht unmittelbar zur Energiespeicherung beiträgt. Gewicht und Volumen der Batterie werden daher reduziert und Herstellungskosten gesenkt.

Noch weiß man nicht genug

Der Haken: QuantumScape hat seine Laborteste nur an einschichtigen Zellen durchgeführt. Bei einer tatsächlichen Autobatterie müssten aber Dutzende von Schichten zusammenwirken. Kritiker bezweifeln daher, dass es dem Unternehmen in den nächsten vier bis fünf Jahren tatsächlich gelingen wird, die Batterien auf die Straßen zu bringen.

VW hat in das Unternehmen knapp 250 Millionen Euro investiert. Weitere Hundert Millionen stammen von anderen Investoren, QuantumScape selbst soll mittlerweile mit gut 16 Milliarden Euro bewertet sein. Ein tatsächlich vorhandenes Produkt lässt auf sich warten. (bsc)