Donut-Festkörperbatterie: Experte zerpflückt den Ladetest

Die Festkörperbatterie, die das finnische Start-up-Unternehmen Donut Lab vorgestellt hat, ist mit ihren behaupteten Eigenschaften auf starke Zweifel gestoßen; sogar von Betrug war die Rede. Auch der jüngst präsentierte Ladetest beseitigte diese nicht. Im Gegenteil: Ein deutscher Batterieforscher hält ihn für sehr seltsam und ungeeignet.

Anfang Januar wurde die Verge TS mit einer Festkörperbatterie von Donut Lab präsentiert. Der Akku sollte:

• eine sehr hohe Energiedichte von 400 Wattstunden pro Kilogramm haben
• sich in nur fünf Minuten von 0 auf 100 Prozent laden lassen
• eine überragende Lebensdauer von 100.000 Ladezyklen besitzen
• niedrigere Kosten als normale Flüssigelektrolyt-Batterien haben

Da die Fachwelt sehr skeptisch reagierte, will Donut Lab nun Tests von dem renommierten finnischen Institut VTT vorlegen. Der erste Test bestätigte das Aufladen in fünf Minuten, doch unter anderem Festkörperbatterie-Experte Joachim Sann von der Justus-Liebig-Universität Gießen kritisiert diesen in einem Video des Batteriepodcasts Geladen (siehe oben). Der Fall wirft auch ein Licht darauf, wie man eine Batteriezelle testet.

Bild von den VTT-Tests (mit Kühlkörper unter der Zelle), Screenshot aus dem Donut-Lab-Video

Bild von: Donut Lab

Der Test wurde zwar von einem renommierten Testinstitut durchgeführt, aber der Auftrag lautete nicht, die Zelle nach allen Regeln der Kunst zu testen, sondern die von Donut Lab vorgegebene Testprozedur abzuarbeiten. Dass VTT eine unbekannte Zelle so getestet hätte, kann sich Sann "beim besten Willen nicht vorstellen". Skeptisch macht ihn, dass es sich nur um eine einzige Zelle handele; normalerweise hätte man mehrere Zellen bestellt, um eine Streuung auszuschließen. Es fehle auch eine genaue Charakterisierung der Zelle. So fehlen zum Beispiel Größe und Gewicht der Zelle und welche Anschlüsse sie hat. 

Die Daten der Zelle (Ausschnitt aus dem Prüfbericht)

Bild von: VTT

Um die Zellkapazität zu bestimmen, würde man Lade-Entladezyklen bei einer sehr geringen Laderate von 0,05C durchführen und sich dann auf 1C steigern. Die eigentlichen Ladetests (hier bei 5C und 11C) würde man mehrmals wiederholen. Bei allen Tests – bei der Bestimmung der Zellkapazität wie bei den Ladetests – würde man versuchen, die Temperatur konstant zu halten. Dazu würde man eine geschlossene Box mit guter Klimatisierung nutzen, sodass man die Temperatur genau angeben kann. 

Bei der Bestimmung der Speicherkapazität wurde der Klimaschrank laut Prüfbericht aber ausgeschaltet und offen gelassen. So kann man die Speicherkapazität nicht richtig bestimmen, denn diese hängt stark von der Temperatur ab, so Sann: Bei hoher Temperatur können sich die Ionen in der Zelle leichter bewegen und finden so leichter eine freie Stelle in der Elektrode, daher ist die Speicherkapazität bei hoher Temperatur größer als bei Raumtemperatur.

Die Zelle wurde am Anfang mit 24 Ampere geladen, und zwar bis die Lade-Endspannung von 4,15 Volt erreicht war, dann weiter bei 4,15 Volt, bis sich der Strom auf ein Zwanzigstel (also 1,2 Ampere) verringert hatte. Das ist laut Sann auch ein gängiges Abschaltkriterium. Allerdings wurde außer Acht gelassen, dass der Widerstand mit zunehmender Temperatur sinkt, was zu höheren Stromstärken führt. 

Bestimmung der Speicherkapazität der Zelle

Bild von: VTT

Nach der obigen Tabelle von VTT gab die Zelle beim ersten Zyklus nur 91 Wattstunden ab, musste aber mit fast 101 Wh aufgeladen werden – der Verlust in Form von Wärme lag also bei rund zehn Prozent. Dass der Verlust schon bei 1C so groß ist, findet Sann "sehr erstaunlich". Das spreche nicht für einen sehr niedrigen Innenwiderstand. 

Bei den eigentlichen Ladetests wurde die Zelle passiv über einen oder zwei Kühlkörper gekühlt – laut Donut Lab ein Worst-Case-Szenario, weil Batterien in Elektrofahrzeugen weit aufwendiger gekühlt würden. Laut Bericht stieg die Temperatur der Zelle beim ersten 5C-Test von 23 auf 47 Grad, beim zweiten von 27 auf 62 Grad. Bei 11C wurden sogar Temperaturen bis fast 90 Grad erreicht. Laut Donut Lab senkte das den Innenwiderstand und ermöglichte schnelleres Laden.

Sann kritisiert, dass nicht erwähnt wird, ob der Klimaschrank bei den Ladetests an- oder ausgeschaltet, offen oder geschlossen war. Auf Sann wirkt der Bericht so, als sei er geschlossen gewesen. Dann aber könnte man diskutieren, ob das nur eine Passivkühlung war. Jedenfalls sei eine erhebliche Kühlleistung nötig gewesen, so Sann. 

Bei den Ladetests wurde nicht bis zur Maximalspannung von 4,15 Volt, sondern bis 4,3 Volt geladen. Das war offenbar nötig, um trotz des großen Innenwiderstands hohe Ströme (von 130 Ampere, siehe Diagramm unten) zu erhalten. Dazu mussten die Tester offenbar stark kühlen.

Spannung und Strom beim Laden mit 5C

Bild von: VTT

Hier sei auch das Abschaltkriterium geändert worden: Es wurde nicht mehr geladen, bis der Strom auf ein Zwanzigstel fällt, sondern bis 26 Amperestunden reingeladen wurden. Damit hätte die Zelle keinen Kapazitätsverlust, weil man einfach so lange weiter lädt (bei erhöhter Spannung), bis 26 Ah geflossen sind. Dazu kommt der Effekt der Temperatur, denn die wurde ja nicht konstant gehalten. 

Ladezyklen bei 11C mit einem Kühlkörper: Hohe Differenz zwischen Entlade- und Ladekapazität

Bild von: VTT

Bei den späteren Ladetests (mit nur einem Kühlkörper) fällt Sann auf, dass bei 11C nur noch 25,6 bis 25,9 Ah aus der Zelle entnommen werden können. Das bedeutet, die sogenannte Coulomb-Effizienz (also das Verhältnis von entnommenen Amperestunden zu den geladenen Amperestunden) ist gering, laut Sann unter 99 Prozent. Das heißt: Ein Prozent der beim Laden "geschluckten" Elektronen kommen nicht wieder heraus.

Das sei nur durch chemische Degradation zu erklären. Eine Zelle mit 100.000 Ladezyklen müsste eine Coulomb-Effizienz von 99,9999 Prozent haben. Wenn die Coulomb-Effizienz nur bei 99 Prozent liegt und mit 11C-Zyklen weitergemacht würde, wäre "die Zelle nach 20 bis 30 Zyklen tot", so Sann. In diesem Zusammenhang kritisiert Sann auch, dass am Ende kein Referenzzyklus bei 1C mehr gemacht wurde, bei dem man sehen könnte, ob eine Degradation stattgefunden hat. 

InsideEVs USA hat sich ebenfalls mit den VTT-Tests auseinandergesetzt und Fachleute befragt. Die unter anderem auf Festkörperakkus spezialisierte Materialwissenschaftlerin Shirley Meng von der Universität Chicago schrieb den Kollegen: "Wer die chemische Zusammensetzung nicht offenlegt, kann nicht seriös sein." Außerdem meinte sie, 11C im Labormaßstab seien nicht einzigartig; sie erreiche im Labor sogar Werte von 20C, aber das ließe sich nicht unbedingt auf eine Batterie übertragen.

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Unter dem Strich

Donut Lab behauptet, man könne seine Festkörperzellen in nur 5 Minuten von 0 auf 100 Prozent laden und will das mit unabhängigen Tests belegen. Batterieexperte Joachim Sann kritisiert den Test und sagt, diese Behauptung könne man mit diesen Untersuchungen nicht belegen. Die Hauptvorwürfe von Sann beziehen sich darauf, dass nur eine einzige Zelle getestet wurde, auf die fehlende Temperaturkonstanz bei der Bestimmung der Speicherkapazität, die fehlende Dokumentation der Kühlung bei den Ladetests, das ungeeignete Abschaltkriterium bei den Ladetests und den fehlenden Referenzzyklus am Ende. 

Das meiste davon wirkt plausibel und nachvollziehbar. Allerdings wird in dem Prüfbericht nicht von einer einzigen Zelle gesprochen, sondern von "the energy storage devices supplied by the customer"; es wird also die Mehrzahl verwendet. Die Zweifel an der Festkörperzelle bleiben jedenfalls. Weitere Untersuchungen sollen folgen, vermutlich zu den anderen Behauptungen, etwa zur Energiedichte und zur Zyklenfestigkeit.