Schnelltests für mehr Energie

Ein US-Start-up hat einen automatisierten Prozess entwickelt, der die Validierung neuartiger Batteriedesigns deutlich beschleunigen soll.

Wildcat Discovery Technologies, ein Start-up aus dem kalifornischen San Diego, hat ein neues Prüfverfahren entwickelt, mit dem Tausende Batteriezellen gleichzeitig getestet werden können. Der Prozess soll der Firma erlauben, Lithium-Ionen-Batterien mit einer um bis zu 25 Prozent höheren Kapazität für den Einsatz in Elektroautos und mobiler Elektronik zu bauen.

Prüfverfahren mit hohem Durchsatz werden in der Pharma- und Chemieindustrie mittlerweile häufig eingesetzt, um neue Wirkstoffe und Katalysematerialien zu entwickeln. In der Batterieentwicklung setzen erste Firmen diese Technik ebenfalls ein. Der Ansatz von Wildcat unterscheidet sich darin, dass gleich vollständige Batteriezellen hergestellt werden, nicht nur Einzelkomponenten wie Elektroden. Das ist wichtig, weil die Leistungsfähigkeit einer Batteriechemie stark davon abhängt, wie ihre einzelnen Bestandteile miteinander harmonieren. "Mit konventionellen Ansätzen erhält man viele Fehltreffer", sagt Steven Kaye, Forschungschef bei Wildcat. Denn ein Elektrodenmaterial, das interessant wirkt, kann in einer vollständigen Zelle versagen, weil es dort mit der Elektrolytschicht, Zusatzstoffen und der gegenüberliegenden Elektrode interagieren muss. Entsprechend kann es auch sein, dass eine neue Elektrode, die für sich genommen uninteressant aussieht, mit anderen Materialien hervorragend funktioniert.

Die neue Batteriechemie, die Wildcat entwickelt hat, ist eine Variante eines Lithium-Kobalt-Phosphats. Für sich genommen würde der Stoff wohl im Labor versagen, weil er mit einer Spannung arbeitet, die die Elektrolytschicht einer regulären Batterie schnell zerstören kann. In Verbindung mit einer neuen Elektrolytrezeptur funktioniert der Ansatz aber: Dieser Aufbau kann dann die hohe Spannung "überleben". Insgesamt wurden bis zur Entdeckung der gewünschten Mischung 4000 einzelne Materialien durchgetestet. Vier Monate dauerte das laut Kaye.

Der Prozess beginnt mit einer automatisierten Herstellung verschiedener flüssiger Vorläufermaterialien. Dann werden Elektrodenpulver mit verschiedenen Eigenschaften produziert. Daraus bilden die Forscher dann Elektrodenfilme und die Kombination aus Elektroden, Trennern und Elektrolytschicht wandert in eine Rundzelle, wie man sie aus Uhrenbatterien kennt. Diese Zellen werden durchgeprüft und die besten anschließend weiterentwickelt.

Die Möglichkeit, Tausende von Materialkombinationen durchzugehen und diese dann in eine komplette Batterie zu integrieren, sei "ziemlich beeindruckend", meint Jeff Dahn, Physikprofessor an der Dalhousie University, der selbst Prüfprozesse mit hohem Durchsatz nutzt, um Batteriechemien auszutesten. "Innerhalb kurzer Zeit kamen sie so sehr weit."

Wildcat wurde 2006 gegründet und konnte insgesamt 16,5 Millionen Dollar an Risikokapital einsammeln. Die Firma generiert außerdem Umsatz aus mehr als 40 Forschungsprojekten mit größeren Herstellern. Zu den Gründern des Start-ups gehört auch Peter Schultz, Professor am Scripps Research Institute, der als Pionier von High-Bandwith-Tests in der Chemie gilt.

Ein fertiger Akku mit der neuen Wildcat-Technik könnte rund 60 Prozent mehr Energie pro Volumeneinheit speichern als jene Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen, die derzeit gerne von Elektroautoherstellern verwendet werden. Verglichen mit Batterien der nächsten Generation, die unter anderem aus Nickel, Mangan und Kobalt bestehen sollen, erreicht der Wildcat-Ansatz laut Forschungschef Kaye eine um immer noch 25 Prozent höhere Energiespeicherkapazität pro Volumeneinheit.

Noch lässt sich nicht genau sagen, wie diese neue Batteriechemie das Kostenmodells eines Elektroautos beeinflussen würde. Klar ist bereits, dass die höhere Kapazität einen Sparbeitrag leistet, ebenso die höhere Spannung, die den Anschluss der Akkupacks erleichtern dürfte. Kobalt sorgt im Vergleich zu Lithium-Eisen-Phosphat-Mixturen aber wiederum für Mehrkosten. Aus diesem Grund arbeitet Wildcat derzeit an Elektroden, bei denen Kobalt durch Nickel ersetzt werden kann.

Die neue Elektrolytformeln, die die Firma entwickelt hat, könnten zudem die Nutzung anderer Elektrodenmaterialien mit relativ hoher Spannung erlauben. Dazu gehört die Klasse der sogenannten Fluorophosphate, die mit passenden Gegenelektroden eine Verdopplung der Batteriekapazität versprechen, wie Kaye hofft.

Wildcat produziert derzeit Testchargen der neuen Batteriechemie und hofft, die Technik an größere Hersteller zu lizenzieren. Bis es soweit ist, muss jedoch noch die Haltbarkeit verbessert werden. Nach 150 Ladezyklen nimmt die Kapazität des Elektrodenmaterials derzeit bereits um 20 Prozent ab. Bei Mobilelektronik muss eine Batterie jedoch mindestens mehrere Hundert Zyklen durchhalten. Bei Elektroautos sind die Ansprüche noch deutlich höher: Bis zu 80 Prozent Kapazität müssen auch nach Tausenden von Ladezyklen erhalten bleiben. (bsc)