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Warum wir immer noch keine besseren Batterien haben
Anfang dieses Jahres, Ellen Williams, die Direktorin von ARPA-E , das fortschrittliche Forschungsprogramm des US-Energieministeriums für alternative Energien, machte Schlagzeilen, als sie erzählte die Wächter Zeitung dass 'Wir einige heilige Grale in Batterien erreicht haben.
Trotz sehr vielversprechender Ergebnisse aus den rund 75 Energiespeicher-Forschungsprojekten, die von ARPA-E finanziert werden, bleibt der Gral der kompakten, kostengünstigen Energiespeicherung jedoch schwer fassbar.
Eine Reihe von Start-ups sind näher dran, Geräte zu produzieren, die wirtschaftlich, sicher, kompakt und energiedicht genug sind, um Energie zu einem Preis von weniger als 100 US-Dollar pro Kilowattstunde zu speichern. Eine Energiespeicherung zu diesem Preis hätte einen galvanischen Effekt, der das Problem überwindet, ein 24/7-Netz mit erneuerbarer Energie zu versorgen, die nur verfügbar ist, wenn der Wind weht oder die Sonne scheint, und Elektrofahrzeuge leichter und kostengünstiger machen würde.
Illustration von Federico Jordan
Aber diese Batterien werden nicht annähernd in dem Tempo kommerzialisiert, das erforderlich wäre, um den Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien zu beschleunigen. Sogar Elon Musk, CEO von Tesla, der kaum jemand ist, der das Versprechen neuer Technologien herunterspielt, musste zugeben, dass der Elektroautohersteller vorerst mit einer schrittweisen Flut von Verbesserungen an seinen bestehenden Lithium-Ionen-Batterien beschäftigt ist, keine große nach vorne springen.
Tatsächlich glauben viele Forscher, dass die Energiespeicherung eine völlig neue Chemie und neue physikalische Form annehmen muss, jenseits der Lithium-Ionen-Batterien, die in den letzten zehn Jahren konkurrierende Technologien in der Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeugen und Speichersystemen im Netzmaßstab verdrängt haben . Im Mai veranstaltete das DOE ein Symposium mit dem Titel Jenseits von Lithium-Ionen. Die Tatsache, dass es sich um die neunte Ausgabe der Veranstaltung handelt, unterstreicht die technologischen Herausforderungen, die mit diesem Schritt verbunden sind.
Qichao Hu, der Gründer von SolidEnergy Systems, hat eine Lithium-Metall-Batterie entwickelt (die eine metallische Anode anstelle des Graphitmaterials hat, das für die Anode in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird), die eine dramatisch verbesserte Energiedichte gegenüber heutigen Geräten bietet (siehe Bessere Lithiumbatterien, um einen Testflug zu bekommen). Der jahrzehntelange Entwicklungsprozess des neuen Systems hat eine der größten Hürden bei der Weiterentwicklung von Batterien aufgezeigt: Wenn es darum geht, von einer Idee zu einem Produkt zu gelangen, ist es für Batterien schwierig, sagt Hu, denn wenn Sie einen Aspekt verbessern, gehen Sie Kompromisse bei anderen Aspekten ein .
Hinzu kommt die Tatsache, dass die Energiespeicherforschung ein Multiplizitätsproblem hat: Es gibt so viele Technologien, von Schaumbatterien über Flow-Batterien bis hin zu exotischen Chemien, dass kein klarer Gewinner den Großteil der Finanzierung und Forschungsaktivitäten anzieht.
Gemäß eine kürzlich durchgeführte Analyse von Investitionen in Energiespeicherung in Höhe von mehr als 4 Milliarden US-Dollar von Lux Research erhielten Start-ups, die Batterien der nächsten Generation – also jenseits von Lithium-Ionen – entwickeln, über einen Zeitraum von acht Jahren durchschnittlich nur 40 Millionen US-Dollar an Fördergeldern. Die Investition von Tesla in seine Gigafactory, die Lithium-Ionen-Batterien produzieren wird, wird sich auf rund 5 Milliarden US-Dollar belaufen. Diese riesige Investitionslücke ist schwer zu überwinden.
Es wird Sie 500 Millionen Dollar kosten, eine kleine Fertigungslinie einzurichten und alle Details der Forschung zu erledigen, die Sie tun müssen, um das Produkt herzustellen, sagt Gerd Ceder, Professor für Materialwissenschaften an der University of California, Berkeley, der leitet eine Forschungsgruppe Untersuchung neuartiger Batteriechemien. Autohersteller könnten neue Batteriesysteme jahrelang testen, bevor sie eine Kaufentscheidung treffen. Es ist schwer, 500 Millionen US-Dollar in die Fertigung zu investieren, wenn Ihr Unternehmen über 5 Millionen US-Dollar pro Jahr verfügt.
Selbst wenn es neuen Batterieherstellern gelingt, neuartige Technologien auf den Markt zu bringen, stehen sie vor einer gefährlichen Phase des Hochfahrens der Produktion und der Suche nach Käufern. Sowohl Leyden Energy als auch A123 Systems scheiterten nach der Entwicklung vielversprechender neuer Systeme, da ihr Liquiditätsbedarf stieg und die Nachfrage die Erwartungen nicht erfüllte. Zwei weitere Startups, Seeo und Sakti3, wurden übernommen, bevor sie die Massenproduktion und signifikante Einnahmen erreichten, zu Preisen, die unter den Erwartungen ihrer Frühphaseninvestoren lagen.
Unterdessen interessieren sich die drei großen Batteriehersteller Samsung, LG und Panasonic weniger für neue Chemien und radikale Veränderungen in der Batterietechnologie als für schrittweise Verbesserungen ihrer bestehenden Produkte. Und innovative Batterie-Startups stehen vor einem großen Problem, das sie nicht gerne erwähnen: Lithium-Ionen-Batterien, die erstmals Ende der 1970er Jahre entwickelt wurden, werden immer besser.