Lithium-Metall-Zelle mit Trockenbeschichtung schafft 1.000 Zyklen

Schwer beeindruckt war Ingenieurs-Ikone Sandy Munro von der neuen Batteriezelle, die das kalifornische Startup Sakuu nun vorstellte: eine Lithium-Metall-Zelle mit gedruckten Elektroden ohne die üblichen Ableiterfolien aus Kupfer und Aluminium. Munro veröffentlichte gleich zwei Videos in Folge zu der Technik.

Nachdem die Sache offenbar gehörig Wirbel in der Branche verursacht hatte, widmete sich der "Geladen"-Batteriepodcast des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) der Technik (oder besser gesagt: den Techniken) von Sakuu. Wir uns die drei Videos und die Pressemitteilung von Sakuu angesehen und fassen zusammen, was wir verstanden haben.

Lithium-Metall-Zellen

Sakuu kommt nicht von der Batterieforschung her, sondern von der Batterieproduktion.  her. Die 2016 gegründete Firma bietet Maschinen und Technologien zur kommerziellen Zellfertigung an. Die selbst unter Batteriefachleuten unbekannte Firma hat nun jedoch eine Lithium-Metall-Batteriezelle namens Cypress vorgestellt.

Lithium-Metall-Zelle heißt, es gibt an der Anode keine traditionelle Elektrode. Dort werden die Lithium-Ionen vielmehr direkt am Ableiter entladen, so dass an diesem elementares (metallisches) Lithium aufwächst.

Trockenbeschichtung per 3D-Druck

Die Kathode dagegen ist eine konventionelle Elektrode, zum Beispiel mit NMC-Chemie. Sie kann per traditioneller Nassbeschichtung oder per Trockenbeschichtung erzeugt werden. Die Nachteile der Nassbeschichtung sind bekannt: Wenn das (feste) Kathodenmaterial als Mischung mit einer Flüssigkeit aufgebracht wird, muss diese Flüssigkeit danach aufwendig und energieintensiv durch Verdampfen wieder entfernt werden. Deswegen forschen unter anderem Tesla und Volkswagen an der Trockenbeschichtung. Für diese hat Sakuu ein neues Verfahren entwickelt: den 3D-Druck.

Nach 1.000 Zyklen hatte die Cypress-Zelle mit Trockenbeschichtung noch über 80% ihrer Speicherkapazität

Die Cypress-Zelle mit trockenbeschichteter Kathode hat bereits 1.000 Lade-Entlade-Zyklen geschafft, bevor die Speicherkapazität unter 80 Prozent fiel. 1.000 Zyklen sind eine ganze Menge: Bei einer 45-kWh-Batterie und einem Stromverbrauch des Autos von 15 kWh/100 km würde das 300.000 km entsprechen.

Das Laden und Entladen geschah dabei allerdings nicht besonders schnell: Die Raten betrugen 0,3C beim Laden (Entladen der Zelle in 3 Stunden), 1C beim Entladen (Entladen der Zelle in einer Stunde). Aber auch Entladen mit 3C, 8C und 10C wurde bereits erfolgreich durchgeführt.

Pouch-Zellen und prismatische Zelle von Sakuu

Die Trockenbeschichtung per 3D-Druck eignet sich auch zur Produktion von Festkörperzellen: "Die Herstellung von Cypress in einem vollständig trockenen Verfahren mit der Kavian-Plattform ist ein wichtiger Schritt, um in Zukunft die Produktion hochwertiger Festkörperbatterien in großen Mengen zu ermöglichen", verspricht Sakuu-Chef Robert Bagheri. Soweit der Stand vom April

Im ersten Video von Sandy Munro werden weitere Details erklärt. So erklärt Arwed Niestroj von Sakuu, dass man einerseits die Trockenbeschichtung von Anode und/oder Kathode zur Lizenzierung anbiete: Ein Hersteller könne mit seiner spezifischen Batteriechemie (zum Beispiel einer speziellen NMC-Chemie an der Kathode und Graphit mit zugemischtem Silicium an der Anode) zu Sakuu kommen. Man würde die Materialien vorbehandeln, um sie für den Druckprozess geeignet zu machen und dann die Technik dem Hersteller zur Verfügung stellen.  

Niestroj zeigt auch zwei Kathoden, von denen eine per Nassbeschichtung und die andere per Trockenbeschichtung hergestellt wurden. Beide seien vom Ergebnis praktisch identisch. Bei seiner Lithium-Metall-Zelle habe man sowohl mit nassbeschichteter wie mit trockenbeschichteter Kathode bereits 1.000 Zyklen erreicht. Diese Kathoden bestehen wie üblich aus beschichteten Metallfolien aus Alu (für die Kathode) bzw. Kupfer (für die Anode).

Zellen ohne metallische Ableiter

Im zweiten Video zeigt Munro Zellen ohne solche Metallfolien (siehe unser Titelbild). Stattdessen werden die Elektrodenmaterialien hier direkt auf eine elektrisch leitende Kunststofffolie aufgebracht. Der Verzicht auf die Metalle senkt Kosten und Gewicht. Man kann die Zellen dann übereinanderstapeln, womit sie in Reihe geschaltet werden – die Spannung von typischerweise 3,6 Volt pro Zelle addiert sich dann. 100 solcher Zellen ergeben dann schon ein 400-Volt-System, 200 Stück ein 800-Volt-System. (Um die nötige Speicherkapazität zu erreichen, müsste man mehrere solche Stapel parallel schalten.)

Sandy vergleicht die Sakuu-Zelle ohne metallische Ableiterfolien nun mit einer 4680-Zelle (offenbar von Tesla). In ein Volumen von 50 mal 80 mal 30 mm (120 cm³) passen 200 Sakuu-Zellen, aber nur eine einzige 4680-Zelle. Die Speicherkapazität ist bei beiden Lösungen mit 96 Wattstunden exakt gleich, das Gewicht bei Sakuu jedoch deutlich geringer. So ergibt sich eine deutlich höhere gravimetrische Energiedichte:

Vergleich zwischen einer zylindrischen 4680-Zelle mit 200 Sakuu-Zellen ohne Metallfolien

Die "PCC"-Zellen sollen auch den Nagel-Test bestehen, ohne zu brennen. Den 1.000-Zyklen-Test hat man an ihnen noch nicht durchgeführt, doch Sakuu ist zuversichtlich, dass er bestanden würde. 

Einordnung durch zwei Wissenschaftler

In dem "Geladen"-Video wird nun Batteriechemiker Professor Maximilian Fichtner von der Universität Ulm und dem KIT gefragt, was er von alldem hält. Er erkennt an, dass Sakuu offenbar ein neues Fertigungsverfahren für die Trockenbeschichtung entwickelt hat.

Eine elektrisch leitfähige Kunststofffolie statt Metallfolien zur Ableitung des Stroms zu benutzen, habe aber den Nachteil, dass diese den Strom schlechter leiten, was zu höherem Innenwiderstand und damit zu größerer Wärmeentwicklung führe. "Ich frage mich, ob man da wirklich schnell laden kann, ohne dass das Ding abkokelt", so Fichtner. Aber vielleicht gebe es noch einen besonderen Trick zur Kühlung.

Er würde auch gerne einen unabhängigen Test sehen, in dem gezeigt wird, dass die Trockenbeschichtung wirklich hält und die 1.000 Zyklen nicht nur mit einer winzig kleinen Zelle erreicht werden. Die andere spannende Sache sei, wie Sakuu es schafft, dass sich Lithiumionen auf der Kunststofffolie als Metall abscheiden.

Im Podcast wird außerdem Joachim Sann vom Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Gießen und dem Polis-Exzellenzcluster für Batterieforschung befragt. Er findet das 3D-Druck-Verfahren faszinierend.

Bei der Zelle kombiniere Sakuu ähnlich wie QuantumScape eine traditionelle Kathode mit einer Festelektrolyt-Membran, um eine Lithium-Metall-Zelle zu konstruieren. Die Konstruktion einer Festkörperzelle wäre der nächste Schritt, und mit der 3D-Druck-Technologie könnte das erreicht werden, vermutet Sann. Zudem könnte man mit dem 3D-Druck dreidimensionale Strukturen mit Gradienten auf den Elektroden aufbauen.

Was das Stacking angeht, so sieht Sann ein Problem beim Balancing: Wenn in dem Zell-Stapel eine Zelle kaputtgeht, kann sie nicht mehr einzeln angesprochen werden, und der ganze Stapel müsste ausgetauscht werden. Die von Sakuu präsentierte Kurve zeige zudem nur die Zyklenfestigkeit einer Zelle. Das wäre zu wenig, da Varta schon Anfang der 90er-Jahre Lithium-Metall-Zellen hatte, bei denen nur jede 15.000ste an Dendriten "gestorben" wäre. Die stapelbaren Zellen ohne Metallableiter scheint für Sann noch eher experimentell zu sein. Generell aber arbeite Sakuu mit Porsche Consulting und SK zusammen, was für Seriosität spreche.

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Unter dem Strich

Sakuu hat gleich mehrere interessante Batterietechnologien gezeigt, darunter ein neues Druckverfahren zur Trockenbeschichtung, neuartige Zellen ohne Metall-Ableiterfolien und eine Lithium-Metall-Zelle. Wie weit die Firma mit alldem gekommen ist, bleibt aber offen, solange es weder komplette Daten noch unabhängige Tests gibt – wie so oft, wenn es um neue Batteriezellen geht.