Cleantech-Unternehmen setzt auf Zellen mit höchster Energiedichte auf Basis von Silizium-Anoden.
Silizium-Anoden sind technologisch komplex, aber Batteriehersteller wie Amprius verkünden immer wieder neue Erfolge mit Energiedichten, die insbesondere auch für die Luftfahrt geeignet sind. Die Kalifornier von Amprius Technologies haben die Energiedichte ihrer Lithium-Ionen-Zellen mit Silizium-Anode nun auf eine Energiedichte von 500 Wh/kg und 1300 Wh/L verbessert. Die Zelle wiegt nur halb so viel wie moderne Li-Ion-Zellen – und braucht weniger Platz. Ob die Technologie ein Durchbruch ist, wird sich noch zeigen: Gelingt die Massenfertigung?
Amprius Technologies plant derzeit die eigene Produktionsstätte in Brighton, Colorado. 2025 soll die Fabrik betriebsbereit sein und zunächst Lithium-Ionen-Batterien mit 500 Megawattstunden herstellen. Das Potenzial der Produktion ist aber wesentlich größer: Für bis zu fünf Gigawattstunden reichen die 72.000 Quadratmeter der avisierten Produktionsfläche.
Im Februar 2022 hatte Amprius die erste Charge seiner Lithium-Batterien mit der damals im Wettbewerbsvergleich höchsten Energiedichte ausgeliefert. Diese Silizium-Anoden-Zellen enthielten nach Unternehmensangaben 73 Prozent mehr Energie als die Zellen des Tesla Model 3, und sie benötigen 37 Prozent weniger Volumen.
Die Model-3-Zellen von Tesla dienen als Vergleich zum Stand der Technik und haben laut Enpower eine Kapazität von 260 Wh/kg und 730 Wh/l. Die neuen Amprius-Zellen sind sowohl in Bezug auf die spezifische Energie als auch auf die Energiedichte mit 450 Wh/kg und 1.150 Wh/l ein deutlicher Schritt nach vorn – Amprius gibt an, die Zellen an einen Branchenführer einer neuen Generation von Satelliten geliefert zu haben. Wie viele Zellen geliefert wurden, bleibt Firmengeheimnis.
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Silizium-Nanodrähte bringen hohe Energiedichte
Laut Amprius ist die Leistung der Batterien mit dieser beachtlichen Energiedichte auf die Silizium-Nanodraht-Anodentechnologie zurückzuführen. Beim Aufladen einer Lithium-Ionen-Batterie wird jedem Lithiumatom, das sich an der Kathode befindet, ein Elektron entzogen und über eine externe Leitung zur Anode transportiert, da die Elektronen nicht durch den Elektrolyten oder den Separator zwischen Anode und Kathode gelangen können. Ihre negative Ladung zieht die positiv geladenen Lithium-Ionen durch den Elektrolyten und den Separator, wo sie jeweils ein Elektron finden und in das typische Graphitgitter der Anode eingebettet werden.
„Diese Zellen bieten eine Laufzeit von 200 Prozent im Vergleich zu modernsten Graphit-Zellen, während sie leichter und kleiner sind als andere Batterien mit demselben Energiegehalt“, sagt Jon Bornstein, COO von Amprius Technologies. „Diese neueste Validierung setzt Amprius‘ Erfolgsbilanz fort, die weltweit leistungsstärksten Batteriezellen herzustellen und setzt einen Branchenstandard für Batterietechnologie der nächsten Generation, die letztendlich revolutionieren wird, wie hoch wir fliegen, wie weit wir reisen und wie lange wir unsere Geräte nutzen können.“, sagt Jon Bornstein, COO von Amprius Technologies.
Amprius hat das übliche Graphit-Gitter durch Silizium-Nanodrähte ersetzt. Silizium kann etwa 10-mal mehr Lithium speichern als Graphit, aber es neigt dazu, zu quellen und zu brechen, was die Lebensdauer der Zellen drastisch verkürzt. Wenn man das Silizium zu porösen Nanodrähten formt, die wie eine Art Wald aus längeren Drähten mit kürzeren Drähten dazwischen angeordnet sind, ist das Silizium in der Lage, Schwellungen zu tolerieren und Rissen zu widerstehen, was die Lebensdauer der Zelle so weit verlängert, dass Siliziumanoden zu einer wettbewerbsfähigen Technologie werden können.
Nach Angaben des Unternehmens sind die Silizium-Nanodrähte direkt in das Substrat der Anode eingearbeitet, so dass die Leitfähigkeit (und damit die Leistung) hoch ist. Es sagt, die Lebensdauer der Zelle sei „ausgezeichnet“ und „kontinuierlich verbessert“, obwohl es keine Zahlen dazu nennt, und es sagt auch, dass die Anode der einzige Teil der Batterie ist, der sich ändert; der Rest kann mit bestehenden Fertigungsmethoden und Komponenten hergestellt werden.
Die Rekordleistung von 500 Wh/kg bei der Energiedichte wurde von Mobile Power Solutions, einem führenden Testhaus für umfassende Batterieregulierungs-, Sicherheits- und Leistungstests, bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass dieses Zellenmodell bei einer Temperatur von 25°C eine Energiedichte von >504 Wh/kg und >1321 Wh/l bietet.
Amprius erwartet hohe Nachfrage
Offensichtlich ist die Welt bereit und wartet auf Batteriezellen der nächsten Generation, die mehr Energie bei geringerer Größe und geringerem Gewicht speichern können – alles von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen würde entweder von einer Gewichts- oder Platzreduzierung profitieren, und aufkommende Technologien wie elektrische VTOL-Flugzeuge schreien nach Batterien, die ihre Reichweite und Fähigkeiten verbessern können.
Und natürlich sind die Energiedichte und die spezifische Energie nur zwei Kriterien, an denen sich eine Batterie messen lassen muss. Thermische Leistung, Sicherheit, Lade-/Entladeraten und Zykluslebensdauer spielen eine große Rolle, ebenso wie der Preis. Die Tatsache, dass der erste Kunde von Amprius mit AALTO HAPS in der fortschrittlichen Luft- und Raumfahrt tätig ist und Satelliten herstellt, lässt vermuten, dass diese Zellen zu diesem Zeitpunkt nicht über den Preis konkurrieren werden. Das Unternehmen will die Batterien für eine solarelektrisch betriebe „High Altidude Platform Station“ verwenden.
Diese Story entstand ursprünglich im Februar 2022. Letzte Aktualisierung am 2. April 2023.
Martin Ulrich Jendrischik, Jahrgang 1977, beschäftigt sich seit mehr als 15 Jahren als Journalist und Kommunikationsberater mit sauberen Technologien. 2009 gründete er Cleanthinking.de – Sauber in die Zukunft. Im Zentrum steht die Frage, wie Cleantech dazu beitragen kann, das Klimaproblem zu lösen. Die oft als sozial-ökologische Wandelprozesse beschriebenen Veränderungen begleitet der Autor und Diplom-Kaufmann Jendrischik intensiv. Als „Clean Planet Advocat“ bringt sich der gebürtige Heidelberger nicht nur in sozialen Netzwerken wie Twitter / X oder Linkedin und Facebook über die Cleanthinking-Kanäle ein.