Nächste Generation von Ultium-Batterien sollen Lithium-Metall-Technik von SES einsetzen

Die neuen Elektroautos von General Motors, wie der Cadillac Lyriq, bekommen Ultium-Batterien, die gemeinsam mit LG in einer neuen Fabrik in Lordstown (Ohio) gefertigt werden sollen. Doch die nächste Generation von Ultium-Akkus soll Lithium-Metall-Batteriezellen von SES (bisher als SolidEnergy Systems bekannt) bekommen.

Diese Akkus sollen für deutlich höhere Aktionsradien sorgen. GM-Präsident Mark Reuss sprach unlängst von nicht weniger als 1.000 km Reichweite beim GMC Hummer EV. Nun investiert GM 139 Millionen Dollar in das US-Unternehmen, wie SES mitteilt.

SES arbeitet seit Jahren an Lithium-Metall-Batterien. Während bei heutigen Lithium-Ionen-Akkus Graphit als Material für die Anode verwendet wird, kommt hier metallisches Lithium zum Einsatz. Vorteil: Da Lithium eine deutlich geringere Dichte hat als Graphit, sinkt das Gewicht der Zelle, und die Energiedichte steigt. Für den Autohersteller heißt das: Der Akku sorgt für mehr Reichweite bei gleichem Gewicht.

Die Schwierigkeit mit der Lithium-Metall-Anode ist, dass Lithium ein äußerst reaktionsfähiges Element ist, das mit den meisten Stoffen sehr heftig reagiert. Beim Laden, wenn positiv geladene Lithium-Ionen zur Anode wandern, bilden sich Dendriten (kleine Kristallbäumchen), die im Extremfall bis zur Kathode wachsen können und dann einen Kurzschluss verursachen. Deshalb gibt es Lithium-Anoden bislang nur in nicht wieder aufladbaren Batterien.

Metallisches Lithium reagiert auch mit den gängigen Flüssig-Elektrolyten – oft Diethylcarbonat (für Chemiker: EtO2C=O, also der Diethylester der Kohlensäure) mit Zusätzen wie Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6). Daher sind Lithium-Metall-Akkus oft Festkörperbatterien mit einem festen Elektrolyten, der sowohl die Dendritenbildung verringert als auch reaktionsträge gegenüber Lithium ist. Andere Möglichkeiten sind Schutzschichten auf der Anode oder Polymer-Elektrolyte.

Dass SES nun nicht mehr SolidEnergy Systems heißen will, könnte darauf schließen lassen, dass man sich von der Festkörperbatterie verabschiedet hat. Welche Art von Elektrolyt SES einsetzt, geht aus der Website des Unternehmens nicht direkt hervor; es klingt aber so, als hätte man eine andere Lösung gefunden:

"SES, früher bekannt als SolidEnergy Systems, verfolgte früher die Festkörper-Li-Metall-Technologie. Wir haben jedoch ein weitaus praktischeres, leistungsfähigeres und vollständigeres Li-Metall-System entwickelt als die heutigen Festkörper-Alternativen." (SES_Website)

In einem Advertorial im Wissenschaftsmagazin Nature (PDF-Dokument) hat SES-Chef Qichao Hu die Technik erklärt. Das Dokument scheint den Stand von 2017 wiederzugeben. Zumindest damals setzte SES auf eine Beschichtung der Anode ("anode-lyte") und einen speziellen Flüssigelektrolyten ("cathode-lyte"). 

Auf der Website sind auch einige interessante Kennziffern zu den SES-Akkus zu finden:

  • Hohe Energiedichte von über 400 Wattstunden/kg und über 1.000 Wattstunden/Liter (im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Akkus mit 280 Wh/Kg und 700 Wh/L).
  • Schnelles Laden: In nur 15 Minuten auf 80% aufladen.
  • Sicher und leicht: "Unser Elektrolyt erhöht die Sicherheit der Batterie erheblich, und unsere ultradünne Li-Metall-Anode reduziert das Gewicht der Batterie und die Produktionskosten."

Diese Grafik von der SES-Website zeigt, worin man die Vorteile der Li-Metall-Akkus sieht:

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Inzwischen haben sich die meisten Autohersteller einen Partner gesucht, mit dem an den Akkus der Zukunft gearbeitet wird: Tesla kooperiert mit Panasonic, Volkswagen mit QuantumScape, Ford mit SolidPower und GM setzt nun eben auf SES. Auch der nächste Schritt ist bereits geplant: GM und SES wollen bis 2023 in Woburn (Massachusetts) eine Pilotfertigung für die Batterien bauen – eine Vorserienbatterie, wie SES sagt. 

Aber nicht nur GM hat in SES investiert. Zu den Investoren gehört auch der koranische SK-Konzern, der mit seiner Sparte SK Innovation selbst Batterien entwickelt. Auch Temasek (eine Holding der Regierung von Singapur), der US-Halbleiterspezialist Applied Materials (über die  Tochter Applied Ventures), der chinesische Autohersteller Shanghai Auto Works, der chinesische Rohstoffproduzent Tianqi Lithium und die Investmentfirma Vertex haben sich beteiligt.