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Fortschrittliche EV-Batterien von QuantumScape

12.12.2020

Die Festkörper-Lithium-Metall-Batterien von QuantumScape versprechen, Elektrofahrzeugbatterien der zweiten Generation mit einer mit Verbrennungsmotoren vergleichbaren Reichweite zu werden.

Bisher galten Festkörper-Lithium-Metall-Batterien als vielversprechend, litten aber unter vielen negativen Nebenwirkungen. Sie waren insbesondere sicherer und geräumiger als Lithium-Ionen, hatten aber einen engen Betriebstemperaturbereich. QuantumScape-Batterien sollen frei von den Kinderkrankheiten von Festkörper-Lithium-Metall-Batterien sein und könnten in nur vier Jahren kommerziell rentabel sein.

Neue Batterien haben keine Anode. Genauer gesagt wird bei der Produktion von QuantumScape-Batterien die Anode nicht hergestellt. Diese Elektrode wird in einer bereits zusammengebauten Batteriezelle durch Abscheidung von Lithiummetall während des Zellenladevorgangs gebildet. Die behauptete Lithium-Abscheidungsrate während der Anodenbildung übertrifft alle bisherigen Zahlen und erreicht einen Mikrometer pro Minute, was eine hohe Ladestromdichte und schnelles Laden verspricht: bis zu 80 % Kapazität in 15 Minuten.

Die Batterieanode ist mit „Zero Excess Lithium“ ausgelegt. Mit anderen Worten ist bei der Herstellung der Zelle nicht einmal eine minimale Menge Lithium in Form von Folie oder Abscheidung am Ort der Anodenbildung notwendig. Dies reduziert die Kosten erheblich und vereinfacht die Herstellung von Zellen.

Eine weitere wichtige Erfindung von QuantumScape war die Schaffung eines keramischen Separators, der die Elektroden trennt. Der QuantumScape-Separator ist dünner als ein menschliches Haar und nicht brennbar. Bei einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Zelle besteht der Separator aus organischen Materialien und ist einer der Gründe für die Brandgefahr der Zellen. Es sollte beachtet werden, dass die QuantumScape-Batteriezellen in Form von „Taschen“ und nicht in einem zylindrischen Formfaktor hergestellt werden. Vielleicht ist dies eines der Merkmale der Verwendung von keramischen Separatoren.

QuantumScape-Batterien verfügen außerdem über dicke Kathoden, die in der Lage sind, Ströme mit hoher Dichte von über 3 mAh/cm2 für eine Stunde Lade- und Entladevorgang bei 1 C-Strom zu handhaben. Nach 800 Lade- und Entladezyklen behielten die QuantumScape-Zellen eine Kapazität von über 80 %, was potenziell Hunderttausende von Kilometern mit einer einzigen Batterie verspricht. Noch wichtiger ist, dass die Batterien ihre Leistung bis zu -30 °C beibehalten, was mit alternativen Designs nicht möglich war. Aufgrund der Tatsache, dass Graphit oder Graphit-Silizium von der Anode entfernt wird, baut sich die Elektrolytsubstanz auch nicht während Nebenreaktionen in den Prozessen des Ladens und Entladens der Zelle ab. Dadurch bleiben die Betriebsparameter der Zelle so lange wie möglich erhalten.

QuantumScape verspricht, die Kapazität kommerzieller Festkörper-Lithium-Metall-Batterien auf das im Labor getestete Maximum von 1000 Wh/L zu bringen. So kann die Batteriekapazität im Vergleich zu den besten modernen Lithium-Ionen-Zellen um 80 % steigen und die Reichweite von Elektrofahrzeugen auf Werte bringen, die mit den Fähigkeiten von Autos mit Verbrennungsmotor vergleichbar sind.

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