Weltweit erste anodenfreie Natrium-Festkörperbatterie entwickelt

• Ein Forschungsteam aus dem Labor von Y. Shirley Meng an UChicago PME und von UC San Diego hat eine Struktur aus Natrium, Festelektrolyt und Anodenfreiheit kombiniert und damit die Aussicht auf kostengünstige, schnellladefähige und hochkapazitive Batterien für Elektrofahrzeuge und Netzspeicher vorangebracht
• Durch die Nutzung des reichlich vorhandenen Natriums statt Lithium und den Verzicht auf die Anode sollen Kosten und Umweltbelastung sinken; zugleich zielt das Festkörperdesign auf mehr Sicherheit und Leistung
• Laut der Arbeit in Nature Energy zeigte die neue Struktur über Hunderte Zyklen stabiles Cycling; entscheidend ist, dass drei bislang getrennt umgesetzte Batteriekonzepte in einer Struktur vereint wurden
• Der Schlüssel des Designs liegt darin, dass nicht der Elektrolyt den Stromkollektor umschließt, sondern ein Stromkollektor aus Aluminiumpulver den Elektrolyten umgibt, sodass trotz Festkörperaufbau ein flüssigkeitsähnlich enger Kontakt entsteht
• Das Forschungsteam sieht diesen Ansatz als Schritt zur Verringerung der Lücke beim nötigen Batteriemaßstab für den Ersatz fossiler Energieträger und hat über das UC San Diego Office of Innovation and Commercialization Patent angemeldet

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Natrium, Festkörper und Anodenfreiheit in einer Struktur kombiniert

• Das Laboratory for Energy Storage and Conversion unter dem Labor von Y. Shirley Meng an der UChicago Pritzker Molecular Engineering hat die weltweit erste anodenfreie Natrium-Festkörperbatterie entwickelt
• LESC ist eine gemeinsame Organisation der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering und des Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering an der UC San Diego
• Natriumbatterien, Festkörperbatterien und anodenfreie Batterien existierten jeweils bereits, doch es gab bislang kein erfolgreiches Beispiel, das alle drei Ideen kombiniert
• Die Studie Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery wurde in Nature Energy veröffentlicht; die neue Struktur zeigte über Hunderte Zyklen stabiles Cycling

Warum die Abhängigkeit von Lithium sinken soll

• Lithium kommt in der Erdkruste nur mit rund 20 ppm vor, Natrium dagegen mit etwa 20.000 ppm und ist damit weitaus häufiger
• Mit der steigenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien für Laptops, Smartphones und Elektrofahrzeuge haben Preis- und Lieferdruck bei Lithium zugenommen, was die Sicherung der benötigten Batteriemengen erschwert
• Lithiumvorkommen konzentrieren sich auf wenige Regionen
  • Das Lithium Triangle aus Chile, Argentinien und Bolivien verfügt über mehr als 75 % des weltweiten Lithiumangebots
  • Weitere Vorkommen liegen in Australien, North Carolina, Nevada und anderen Regionen
• Die Lithiumgewinnung kann Umweltschäden verursachen, sei es durch Industriesäuren zur Aufbereitung von Erz oder durch Salzlaugentechniken, bei denen große Wassermengen an die Oberfläche gepumpt und verdunstet werden
• Natrium ist in Meerwasser und beim Abbau von Soda reichlich vorhanden und gilt daher als umweltfreundlichere Option für Batteriematerialien

Was anodenfreie Batterien gewinnen und verlieren

• Herkömmliche Batterien besitzen eine Anode, die während des Ladevorgangs Ionen speichert; im Betrieb wandern diese Ionen von der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode als Stromkollektor und versorgen Geräte und Fahrzeuge mit Energie
• Anodenfreie Batterien entfernen die Anode und speichern Ionen stattdessen direkt als elektrochemische Abscheidung von Alkalimetall auf dem Stromkollektor
• Dieser Ansatz ermöglicht höhere Zellspannungen, niedrigere Zellkosten und eine höhere Energiedichte, erschwert jedoch den Kontakt zwischen Elektrolyt und Stromkollektor
• Das Kontaktproblem unterscheidet sich stark je nach Elektrolytart
  • Flüssige Elektrolyte benetzen Oberflächen und können überallhin fließen, wodurch sich Kontakt leicht herstellen lässt
  • Feste Elektrolyte können weder auf dieselbe Weise fließen noch Oberflächen benetzen
• Flüssige Elektrolyte führen zur Bildung und Ansammlung einer Festelektrolyt-Interphasen-Schicht, die fortlaufend aktives Material verbraucht und die Nutzbarkeit der Batterie mit der Zeit verringert

Stromkollektordesign aus Aluminiumpulver

• Das Forschungsteam entschied sich für eine Struktur, bei der der Stromkollektor den Elektrolyten umschließt, statt umgekehrt
• Der Stromkollektor wurde aus Aluminiumpulver gefertigt, einem Feststoff, der sich wie eine Flüssigkeit verhalten kann
• Beim Zusammenbau der Batterie wurde das Pulver unter hohem Druck verdichtet, um einen festen Stromkollektor zu erzeugen und zugleich einen flüssigkeitsähnlichen Kontakt mit dem Elektrolyten aufrechtzuerhalten
• Diese Struktur kann kostengünstiges und hocheffizientes Cycling ermöglichen und die Entwicklung von Natrium-Festkörperbatterien weiter vorantreiben
• Natrium-Festkörperbatterien gelten meist als Technologie ferner Zukunft, doch dieses Ergebnis zeigt, dass sie in der Praxis gut funktionieren können, was die weitere Forschung ankurbeln dürfte

Skalierung von Batterien und Weg zur Kommerzialisierung

• Meng erklärte, dass für den Betrieb der USA über eine Stunde hinweg 1 TWh Energie erzeugt werden müsse und für die Dekarbonisierung der Wirtschaft Batterien im Umfang von Hunderten TWh nötig seien
• Diese Forschung wird als wissenschaftlicher Fortschritt zur Schließung der Skalierungslücke bei Batterien bewertet, die für den Übergang der Weltwirtschaft weg von fossilen Energieträgern nötig ist
• Meng entwirft eine Zukunft, in der vielfältige, auf gesellschaftliche Bedürfnisse skalierte saubere und kostengünstige Batterieoptionen erneuerbare Energien speichern
• Meng und Grayson Deysher haben über das UC San Diego Office of Innovation and Commercialization für diese Forschung Patent angemeldet
• Die Förderung erfolgte über den Partnerships for Innovation grant no. 2044465 der National Science Foundation

[GN⁺]

Hacker-News-Meinungen

• Der Lithiumpreis ist in den vergangenen zwei Jahren tatsächlich um 80 % gefallen; dieser Teil des Artikels ist nach aktuellem Stand also falsch.
  „Lithium, das häufig in Batterien verwendet wird, ist nicht besonders häufig. In der Erdkruste kommt es mit etwa 20 ppm vor, Natrium mit 20.000 ppm.
  Diese Knappheit und die stark gestiegene Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien für Laptops, Mobiltelefone und Elektroautos haben die Preise explodieren lassen und es schwieriger gemacht, die benötigten Batterien zu bekommen.“
  Quelle: https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
  https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...

  • Stimmt, außerdem wird „Gesamtmenge“ mit nachgewiesenen Reserven verwechselt, und es wird ausgelassen, dass man neue Lagerstätten nicht mehr so aggressiv sucht wie früher.
    Allerdings ist das ein PR-Text einer Universität, also die typische Art, sowohl das vermiedene Problem als auch die erzielte Wirkung größer erscheinen zu lassen.
    Im Kern haben anodenlose Batterien viele wünschenswerte Eigenschaften und sind als technische Leistung bemerkenswert. Vor allem ist der Materialzugang so gut, dass mehrere Länder Batterien mit eigenen Rohstoffen herstellen könnten, und selbst wenn die Zellintegrität beeinträchtigt wird, versagen sie nicht durch Hitzeentwicklung, wodurch sie für Autos besser geeignet sind als heutige Lithiumbatterien.
    Die nächste Hürde sind die Kosten der Massenproduktion – der Punkt, an dem viele Batterieinnovationen scheitern. Wenn sie, wie ich gestern gesehen habe, auf 1 $/kWh kommen können, werden wir viele solcher Batterien sehen.
  • Wenn die Zahlen von 20 ppm Lithium und 20.000 ppm Natrium in der Erdkruste nicht falsch sind, dürfte die Natriumbeschaffung langfristig eindeutig einfacher sein.
  • Ein interessanter Artikel, und das Batteriedesign ist ebenfalls spannend, aber ja: Die PR-Abteilung der Universität hat das „Problem“ mit Lithium ziemlich überzeichnet. Das ist auch nichts Ungewöhnliches.
  • Das ist nur eine einfache Korrektur; der Lithiumpreis liegt immer noch höher als vor Corona.
  • Bloomberg NEF spricht tatsächlich davon, dass wir nächstes Jahr auf ein Überangebot an Batterien zusteuern: https://about.bnef.com/blog/china-already-makes-as-many-batt...
    Es wird nicht nur ein kleiner Überschuss prognostiziert, sondern ein deutlicher; die Preise werden fallen, und insbesondere neue, teure Batterien dürften es schwer haben, zu konkurrieren, wenn etablierte Hersteller ihre Preise senken.
    In den nächsten Jahren werden wir mehr Batterien produzieren als alles, was bisher gebaut wurde. Die Produktion wächst von knapp unter 1 TWh pro Jahr auf mehrere TWh. Bloomberg NEF schätzt die Nachfrage im nächsten Jahr auf etwa 1,6 TWh/Jahr und verfolgt Investitionen in neue Fabriken mit einer Kapazität von 7,9 TWh/Jahr. Nicht alles davon wird gebaut werden, aber es ist eine enorme Kapazität und bedeutet auch große Lithiumnachfrage. Trotzdem fallen die Preise, wie angemerkt. Weil es genug Lithium gibt und es nicht mehr knapp ist.
    Lithium gibt es zwar viel in Ländern wie Chile und Bolivien, aber der tatsächlich größte Produzent ist Australien. Chile steht kurz davor, den zweiten Platz an China abzugeben: https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
    All das gilt noch, bevor man Batteriechemien berücksichtigt, die gar kein Lithium verwenden. Natrium-Ionen sehen derzeit ziemlich gut aus. Sie brauchen kein Lithium, Kobalt, Nickel usw. und werden bereits in günstigen Autos und Netzspeichern eingesetzt. Gerade bei Netzspeichern sind lithiumbasierte Batterien nicht unbedingt die naheliegendste Wahl.

• Ich kenne mich mit Elektrizität nicht besonders aus, aber braucht man nicht eine Anode, damit Elektronen fließen können?
  In Wikipedia steht: „Stattdessen wird beim ersten Laden eine Metallanode gebildet.“
  Ganz klar ist es mir noch nicht, aber es scheint einigermaßen Sinn zu ergeben.

  • Genau, der Ausdruck „anodenlos“ wirkt so, als gäbe es keine Anode, und das ist verwirrend. Ich hatte verstanden, dass eine Batterie zwei Elektroden braucht, um einen Stromkreis zu bilden, durch den Strom fließen kann.
    Der vollständige Wikipedia-Satz lautet: „Eine anodenlose Batterie (AFB) ist eine Batterie, die ohne Anode hergestellt wird. Stattdessen bildet sie beim ersten Laden eine Metallanode.“
    Ein bisschen wie „serverless“ ;)
  • Die Anode ist der Teil, zu dem sich die Ionen bewegen, wenn die Batterie geladen wird. Wenn man das Gewicht maximal reduzieren will, kann man sich vorstellen, dass die Anode tatsächlich nur aus den Ionen besteht, die dorthin gewandert sind. Das ist mit „anodenlos“ gemeint.
    Wenn die Batterie Ladung enthält, fungiert ein Teil des Natriummetalls als Anode. Wenn sie vollständig entladen ist, ist das Natrium zur Kathode gewandert, also gibt es keine Anode.
  • Ich frage mich auch, warum das ein Vorteil ist.
    Ich verstehe nicht, warum man sich darüber freuen sollte, dass „beim ersten Laden eine Metallanode gebildet wird“.
    Nicht sarkastisch gemeint – ich hätte das gern erklärt wie für Fünfjährige.

• Na4MnCr(PO4)3
  Chrom ist in der Erdkruste fünfmal häufiger als Lithium (0,01 % vs. 0,002 %). Das ist besser, aber kein gewaltiger Unterschied
  „Normale“ Natrium-Ionen-Batterien mit Preußisch Blau scheinen den großen Vorteil zu haben, keine seltenen Elemente zu verwenden. Ein Vergleich dieser Festkörper-Chemie mit dem herkömmlichen Ansatz wäre interessant

  • Die geochemischen Unterschiede zwischen beiden sind ziemlich groß; selbst wenn Chrom technisch gesehen nicht wesentlich häufiger vorkommt, ist es viel leichter abzubauen
    Die Gibbs’schen Bildungsenergien von Chromoxiden und Chromit sind deutlich negativer als die lithiumhaltiger Minerale, sodass Cr-Verbindungen in Schmelzen und Lösungen thermodynamisch leicht ausfallen, hochkonzentrierte Minerale bilden und dann durch andere Prozesse nach oben transportiert werden. Li+ kann wegen seines einzelnen Valenzelektrons vergleichsweise schlecht starke Bindungen oder sehr stabile Mineralphasen bilden
    Außerdem sind die Diffusionskoeffizienten von Cr-Spezies in Magma und Gestein im Allgemeinen um mehrere Größenordnungen niedriger als die von Li. Cr wird früh in Kristallstrukturen eingeschlossen und bleibt dort, während Li in Form wasserlöslicher Minerale weiter wandert und diffundiert. Es gibt auch biogeochemische Kreisläufe, bei denen Mikroorganismen Cr in Sedimenten anreichern können
  • Ich weiß nicht, ob sich das 1:1 vergleichen lässt, aber diese Seite[0] nennt eine weltweite Chromproduktion von 41 Mio. Tonnen und bei Lithium 180.000 Tonnen. Die Lieferkette existiert also bereits
    [0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
  • Preußisch Blau kannte ich als Pigmentfarbe, aber diesen Aspekt kannte ich nicht. Ein interessantes Material, und der Wikipedia-Kaninchenbau dazu war ziemlich unterhaltsam
    https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
  • Lithium hat die Ordnungszahl 3 und war zusammen mit Wasserstoff und Helium auch im frühen Universum vorhanden, wenn auch in viel geringerer Menge. In der Erdkruste gibt es etwa 20–70 ppm Lithium
    Die Gewinnung kann mühsam sein, aber es ist kein Material, das zur Neige gehen wird
  • Mich würde interessieren, wie der Prozess zur Chromrückgewinnung aussieht, wenn die Batterien nach einigen hundert Zyklen recycelt werden
    Wichtig ist auch, ob es sich um dreiwertiges Chrom, sechswertiges Chrom oder eine andere Form handelt
    Chromium > Precautions:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions

• Der Preprint der Arbeit ist hier: https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...

• Formulierungen wie „Lithiumgewinnung ist auch umweltschädlich. Bei der Gewinnung aus Sole werden riesige Wassermengen an die Oberfläche gepumpt und getrocknet“ wirken etwas übertrieben
  Wasser aus trockenen Seeböden mit wenig Leben hochzupumpen und verdunsten zu lassen, liegt auf der Skala der Umweltauswirkungen des Bergbaus eher im unteren Bereich. Mich würde interessieren, wie das im Vergleich zur Natriumgewinnung aussieht

  • Ich dachte, das Kernproblem von Verdunstungs-Soleprojekten sei meist der hohe Wasserverbrauch in ohnehin wasserarmen Regionen. Es gibt auch bessere Technologien zur direkten Extraktion
    Natrium kann man gewinnen, indem man Meerwasser in Teichen verdunsten lässt, aber diese Methode zerstört Feuchtgebiete. Rund um die SF Bay gibt es viele solcher Flächen, und einige werden derzeit in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt
  • Bei der Soleextraktion gibt es mehrere Probleme, darunter intensiver Wasserverbrauch und Luftverschmutzung. Im Extraktionsprozess wird zum Beispiel Schwefeldioxid freigesetzt
  • Es gibt eine gute Übersicht über einige der Umweltauswirkungen
    „Environmental impact of direct lithium extraction from brines“ (2023) in Nature Reviews Earth & Environment, PDF: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
  • Ich stimme zu, dass es etwas übertrieben ist, aber Natrium und Chrom sind jedenfalls viel einfacher zu verwenden

• Zu Energiedichte, Volumen und Ladezyklen wird nichts gesagt

  • Die Forschung behandelt die Theorie. Nicht alles in einer Studie muss sofort praktisch nutzbar sein. Damit daraus ein marktfähiges Produkt wird, braucht es viel Engineering, Anpassung und Tests
    Diese Ankündigung ist eine wissenschaftliche Leistung, kein fertiges Verbraucherprodukt
  • Laut Artikel wurde nur bis 100 Zyklen getestet
    Es ist also noch im Versuchsstadium, und eine Produktversion wird nicht innerhalb eines Jahres erscheinen – wahrscheinlich dauert es noch länger. Produkte spezialisieren sich naturgemäß nach verschiedenen Kategorien wie Lebensdauer, Gewicht und Kapazität; erst dann werden solche Kennzahlen aussagekräftig. Bis dahin ist es nur ein Versuchsergebnis mit Kennzahlen, die sich mit früheren Experimenten vergleichen lassen
  • Es heißt, man demonstriere „eine neue Natrium-Batteriestruktur, die über Hunderte von Zyklen stabilen Betrieb zeigt“. Je nachdem, wie „stabil“ definiert ist, reicht das für Netzspeicher noch lange nicht
    Die Grafik zeigt etwa 400 Wh/kg und etwa 800 Wh/L Dichte. Für Netzspeicher sind das ordentliche Werte
    Der Artikel https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9 ist leider hinter einer Paywall
    Man muss abwarten. Bei Batterietechnik entscheidet sich der Erfolg daran, ob die schmutzigen, komplexen Oberflächenreaktionen während der Entladezyklen bei praxisnaher Größe wirklich reversibel sind
  • Die monatlichen Ankündigungen von Batterie-Durchbrüchen werden langsam nervig. Diesmal waren offenbar „Hunderte Zyklen“ genug für eine Veröffentlichung

• Ich hoffe wirklich, dass es ein Durchbruch ist, gehe aber davon aus, dass der erste Kommentar auf etwas Wichtiges hinweisen wird, was diese Batterie in der Praxis nicht kann

  • Auf einer sehr hohen Ebene sollte man bei plausibel klingenden Festkörperbatterie-Technologien grundsätzlich skeptisch sein, weil es offenbar einfach ist, eine kleine Zelle zu bauen, die sich Investoren gut vorzeigen lässt.
    Die meisten Lithium-basierten Festkörperbatterie-Unternehmen, von denen man während des Hype-Zyklus hörte, hatten Festkörperbatterien mit gut aussehender Zyklenzahl und Energiedichte, aber im Grunde waren sie nur so groß wie Uhrenbatterien.
    Sie konnten jedoch nicht skalieren. Das heißt, sie konnten keine großen Batterien bauen, wie sie moderne Elektroautos nutzen, und sie auch nicht in einem in der realen Welt verwendeten Batterie-Formfaktor in Massenproduktion herstellen.
    Trotzdem wirkt das hier sehr vielversprechend.
  • Es handelt sich um die Veröffentlichung eines Papers einer Forschungsgruppe zu einem neuen Ansatz. Die interessantere Frage wäre, ob es dabei Faktoren gibt, die die Überführung in die Realität unerwartet einfach machen.
    Das Abstract endet mit: „Diese Zellstruktur dient als zukünftige Richtung für andere Batteriechemien, um kostengünstige, energiedichte und schnellladefähige Batterien zu ermöglichen.“ Das ist wichtige Grundlagenforschung und Exploration.
    Irgendwann müssen Universitäten wirklich überdenken, wie sie Forschung bewerben. Zumindest sollten sie Überschriften entschärfen, die eher so klingen, als kämen sie von einem unseriösen Startup als aus einem Labor.

• Bei Batterien zählen Skalierung und Gesamtkosten. Selbst wenn die Elemente günstiger sind, kommt es darauf an, ob ein Produkt deutlich besser oder billiger ist als der aktuelle Standard. Man muss nur den Aufstieg von LFP ansehen.
  Entscheidend ist auch, ob bestehende Fabriken und Fertigungstechniken genutzt werden können oder ob sie neu erfunden bzw. gebaut werden müssen. Von Festkörperbatterien hört man seit 15 Jahren, aber bislang ist noch nichts in ausreichend großem Maßstab auf den Markt gekommen.
  Wenn Festkörperbatterien abheben, dann vermutlich zuerst in der elektrischen Luftfahrt und in Supersportwagen, wo sich die Kosten in teureren Produktpreisen verstecken lassen und eine höhere Energiedichte nötig ist.

• „Stabiler Betrieb über Hunderte von Zyklen“ liegt um eine Größenordnung unter dem, was man für eine brauchbare Batterie bräuchte.

  • Sagt das Paper, dass sie nach einigen Hundert Zyklen nicht mehr stabil ist, oder dass sie bisher nur bis zu einigen Hundert Zyklen getestet wurde und in diesem Bereich weiterhin stabil war? Zwischen beidem besteht ein großer Unterschied.
  • Normale Lithium-Ionen-Zellen sind üblicherweise ebenfalls für 500 bis 1.000 Zyklen ausgelegt.

• Ich hoffe, dass das kommerziell erfolgreich wird und die schmutzigen Prozesse zur Herstellung und zum Aufbau von Lithiumbatterien vollständig verschwinden.
  Ich hoffe, dass wir weniger abhängig von China und von Ländern mit fragwürdigen Arbeitspraktiken wie Kinderarbeit oder nahezu fehlenden Sicherheitsvorschriften werden.

  • Ich habe zu viele überzogene akademische Ankündigungen gesehen, die es nie bis zur Kommerzialisierung geschafft haben. In der Fertigung werden oft kleine, aber fatale Faktoren übersehen. Produktion ist schwierig trifft es genau.
    Disclaimer: Ich wünsche mir wirklich, dass diese Batterien erfolgreich sind.