Die Batterien von 24M könnten Wind- und Sonnenenergie besser nutzen

Lithium-Ionen-Batterien versorgen alles mit Strom, von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen. Sie eignen sich gut für den Job, da sie kleiner und leichter sind, schneller aufgeladen werden und länger halten als andere Batterien. Aber sie sind auch komplex und daher kostspielig in der Herstellung, was die Massenakzeptanz von Elektromobilität und großflächiger Energiespeicherung behindert hat.

Yet-Ming Chiang glaubt, dass sein Startup 24M die Antwort hat. Der Schlüssel ist eine halbfeste Elektrode. In einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie werden viele dünne Elektrodenschichten gestapelt oder zusammengerollt, um eine Zelle herzustellen. Lithium-Ionen-Batterien sind neben Baklava das einzige Produkt, das ich kenne, bei dem man so viele dünne Schichten stapelt, um Volumen aufzubauen, sagt Chiang, Mitbegründer und leitender Wissenschaftler bei 24M sowie Professor für Materialwissenschaften am MIT. Unser Ziel ist es, eine Lithium-Ionen-Batterie durch einen möglichst einfachen Prozess herzustellen.

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2016

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Chiangs Innovation, die in seinem MIT-Labor entwickelt wurde, ist eine Elektrode, die durch Mischen von Pulvern mit einem flüssigen Elektrolyten zu einer klebrigen Aufschlämmung gebildet wird. Das Design ermöglicht es 24M, die Menge an energiespeicherndem Material in einer Batterie zu erhöhen und ihr 15 bis 25 Prozent mehr Kapazität zu verleihen als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien gleicher Größe.

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Das neue Design ist auch schneller und billiger herzustellen. Der Bau typischer großer Fabriken zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien kostet etwa 100 Millionen US-Dollar, zum Teil, weil Spezialmaschinen zum Beschichten, Trocknen, Schneiden und Komprimieren des Elektrodenfilms benötigt werden. Da seine halbfeste Elektrode diese Schritte nicht erfordert, sagt 24M, könnten seine Batterien in einem Fünftel der Zeit und in viel kleineren Anlagen hergestellt werden.

Wenn seine Technologie erfolgreich ist, könnte 24M zu den ersten Unternehmen gehören, die die Kosten für Lithium-Ionen-Batteriezellen auf weniger als 100 US-Dollar pro Kilowattstunde senken, von heute 200 auf 250 US-Dollar. Das ist der Punkt, an dem Elektroautos kostenmäßig mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor konkurrieren könnten.

Um dieses Ziel bis 2020 zu erreichen, muss 24M von seiner bestehenden Pilot-Fertigungslinie in Cambridge, Massachusetts, auf die Massenfertigung hochskalieren. Das Unternehmen plant, 2017 eine Fabrik zu bauen, wahrscheinlich in Partnerschaft mit einem großen Industrieunternehmen, und Anfang 2018 sein erstes Produkt auf den Markt zu bringen. Es hofft, dass Versorgungsunternehmen seine Batterien kaufen werden, um Strom aus Wind- und Solarparks zu speichern und Strom während der Spitzenlast zu liefern Std.

Ein Techniker analysiert das Pulver, das in die Aufschlämmung gelangt, die zur Kathode der Batterie wird. Das Verfahren beinhaltet das Mischen von pulverförmigen Materialien (Lithiumeisenphosphat, Graphit) mit einem proprietären flüssigen Elektrolyten.

Die halbfeste Elektrode hat eine teigartige Konsistenz und lässt sich verformen, ohne zu versagen oder sich zu entzünden. Das Unternehmen behauptet, dass diese hohe Missbrauchstoleranz sein Design zur sichersten Lithium-Ionen-Batterie macht, die jemals hergestellt wurde.

Die halbfeste Elektrode hat eine teigartige Konsistenz und lässt sich verformen, ohne zu versagen oder sich zu entzünden. Das Unternehmen behauptet, dass diese hohe Missbrauchstoleranz sein Design zur sichersten Lithium-Ionen-Batterie macht, die jemals hergestellt wurde.

Diese Maschine, die 2014 als Teil der Pilotfertigungslinie von 24M entwickelt wurde, stellt Anode und Kathode der Batterie separat her und kombiniert sie dann zu einer Zelle. Der Vorgang dauert weniger als zwei Minuten.

Zuerst spendet die Maschine Folienstücke. Als nächstes trägt es Gülle auf. Dann fügt die Maschine den Separator der Batterie hinzu – porösen Kunststoff, der elektrische Kurzschlüsse verhindert – und verbindet die Anode mit ihrem Kathodenpartner. So entsteht eine Einheitszelle, die alles enthält, was die Batterie zum Betrieb braucht, aber noch keine endgültige Verpackung hat.

Zuerst spendet die Maschine Folienstücke. Als nächstes trägt es Gülle auf. Dann fügt die Maschine den Separator der Batterie hinzu – porösen Kunststoff, der elektrische Kurzschlüsse verhindert – und verbindet die Anode mit ihrem Kathodenpartner. So entsteht eine Einheitszelle, die alles enthält, was die Batterie zum Betrieb braucht, aber noch keine endgültige Verpackung hat.

Einheitszellen werden gestapelt, um die Batteriekapazität zu erhöhen. Techniker schweißen dann die Laschen der Zellen zusammen, um eine Stapelzelle zu schaffen, und versiegeln sie in einem Aluminiumbeutel vakuumversiegelt. Schweißen und Verpacken sind zwei der wenigen Prozesse, die 24M in seiner Pilotlinie nicht automatisiert hat.

Einheitszellen werden gestapelt, um die Batteriekapazität zu erhöhen. Techniker schweißen dann die Laschen der Zellen zusammen, um eine Stapelzelle zu schaffen, und versiegeln sie in einem Aluminiumbeutel vakuumversiegelt. Schweißen und Verpacken sind zwei der wenigen Prozesse, die 24M in seiner Pilotlinie nicht automatisiert hat.

Batterien warten vor und nach dem Testen. Laut 24M dauert es nur wenige Stunden, um von den Rohstoffen zu testbereiten Batterien zu gelangen. In einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Fabrik würde dieser Vorgang etwa eine Woche dauern.

Das Unternehmen spricht auch mit Herstellern von Elektrofahrzeugen, betrachtet Elektrofahrzeuge jedoch als zweitrangig. Es ist verständlich, dass Chiang in diesem Markt vorsichtig vorgehen würde. A123 Systems, ein von ihm mitbegründetes Batterieunternehmen, meldete 2012 Insolvenz an, nachdem es zu viel Geld für den Bau großer Batteriefabriken zur Belieferung von Autoherstellern ausgegeben hatte. Im Gegensatz dazu, sagt Chiang, sind die Fertigungstechnologien von 24M so konzipiert, dass sie modular sind und bei Bedarf effizienter skaliert werden können.

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