In einem Labor wird die Zukunft von Elektrofahrzeugbatterien getestet

Nov 12, 2023

ANN ARBOR, Michigan – In diesem bescheidenen Backsteingebäude auf dem Campus der University of Michigan konzentrieren sich Wissenschaftler darauf, einige der größten Probleme mit Batterien für Elektrofahrzeuge zu lösen – und versuchen, sie zu beheben, bevor sie das schnelle Wachstum der Branche gefährden.

Forscher am „Maker Space“ für Batterien haben sich von allem inspirieren lassen, von den Tweets von Elon Musk bis hin zum frustrierenden Problem, dass Lithium-Ionen-Batterien Feuer fangen. Es hat sich zu einem Hotspot für Wissenschaftler sowohl aus dem akademischen Bereich als auch aus großen Automobilherstellern wie Ford Motor Co. und Mercedes-Benz entwickelt, die mit modernster Ausrüstung experimentelle und komplexe Batterietechnologien testen, bevor sie diese für die Großserienproduktion entwickeln.

Das kleine Labor ist eines der wenigen Zentren, das es nahezu jedem Batteriewissenschaftler oder -ingenieur ermöglicht, die neuesten Technologien zu testen. Damit spielt es eine überragende Rolle im Technologiewettlauf um fortschrittliche Batterien für Elektrofahrzeuge, der darüber entscheiden könnte, ob die USA dem aggressiven Klima der Biden-Regierung standhalten können Ziele und erleichtert Chinas Einfluss auf die Lieferketten.

„Wenn man alle Fahrzeuge auf der Straße durch Elektrofahrzeuge ersetzen will, sind das viele Batterien. Es macht Sinn, die eigene Technologie in ein Fahrzeug zu integrieren“, sagte Greg Less, der Leiter des Labors. „Aber du musst erst laufen, bevor du rennen kannst.“

Mit der Umsetzung des Inflation Reduction Act, einem 369-Milliarden-Dollar-Gesetz, das teilweise darauf abzielt, die Einführung von Elektrofahrzeugen zu fördern, wurde das Design von Elektrofahrzeugbatterien zu einem vorrangigen geschäftlichen und politischen Anliegen, obwohl es strenge Anforderungen an die Beschaffung von Batteriemineralien und -teilen enthält.

Während die meisten Elektrofahrzeuge heutzutage mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden – einer jahrzehntealten Technologie, die auch in Laptops und Mobiltelefonen zum Einsatz kommt – suchen Forscher aus der Wissenschaft und von Automobilunternehmen nach Möglichkeiten, noch bessere Batterien herzustellen. Sie wollen die Kapazität steigern, die Ladezeit verkürzen, die Kosten senken und die umweltfreundlichsten und sozialverträglichsten Materialien verwenden, die sie finden können.

Der Standort des Labors der University of Michigan ist kein Irrtum. Abgesehen vom Westküsten-Startup Tesla Inc. und dem Ökosystem, aus dem das Unternehmen hervorgegangen ist, sind laut Less viele Autokonzerne im Südosten Michigans vertreten, etwa in Detroit ansässige Autokonzerne wie Ford und General Motors Co. und ausländische Autohersteller wie Mercedes- Benz und Hyundai Motor Co.

Versteckt in einer ruhigen, von Bäumen gesäumten Straße auf dem Campus der Universität befindet sich das 10-Millionen-Dollar-Labor in einer Reihe von Gebäuden in der Nähe der Bibliothek von Präsident Gerald Ford und eines Museums, das das Leben und Werk des 38. Präsidenten archiviert. Die Anlage ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der Universität, der Michigan Economic Development Corp. und Ford mit dem Ziel, Batterieprototypen schneller zu entwerfen und zu bauen.

Im Inneren befinden sich 9.000 Quadratmeter Forschungsfläche, darunter eine „riesige Nudelpresse“, wie Less es nennt, eine Maschine, die lange Metallstreifen mit verarbeiteten Mineralien beschichtet, die schließlich in Testbatterien für Elektrofahrzeuge fließen. Ein nahegelegener „Trockenraum“ dient der Montage von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Andere Maschinen messen, wie Prototypen eine elektrische Ladung halten und abgeben, oder führen „Missbrauchstests“ durch, bei denen Batterien extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind oder beschädigt werden. Hinter einer Glasvitrine ruht eine bewegliche Platte mit einem daran befestigten Werkzeug zum Durchstechen von Batterien. Less erklärt, dass Forscher Batterien durchstechen oder anzünden, um zu sehen, wie sie reagieren.

Ted Miller, der die Batteriezellenforschung und die fortschrittliche Technik von Ford leitet, sagte, das Labor habe eine entscheidende Rolle dabei gespielt, dem Autohersteller dabei zu helfen, Technologien zu testen, die nun direkt dabei helfen, Fords EV-Zellentechnologie der nächsten Generation zu definieren, sowie die Pläne des Unternehmens zur Skalierung im Ford Ion Park, einem eigenen Forschungs- und Entwicklungsstandort.

Während die Elektrofahrzeugbranche boomt, erweitern die Automobilhersteller ihre internen Forschungskapazitäten und nutzen die Ressourcen ähnlicher Labore in New York, Indiana, Texas und im US-Bundesstaat Washington.

Doch die Nachfrage nach Forschungseinrichtungen übersteigt, wie Less sagte, immer noch das Angebot, und es wird erwartet, dass der Bedarf wächst, da Mittel aus dem Inflation Reduction Act greifen, inländische Lieferketten entstehen und sich Batteriechemie und -technologien schneller weiterentwickeln.

Es handelt sich um eine wachsende Nachfrage, die der Bundesregierung sehr bewusst ist und an deren Bewältigung sie arbeitet. Ein öffentlich-privates Konsortium unter Führung des Energieministeriums und verwaltet vom Argonne National Laboratory forderte Anfang des Jahres die Schaffung eines nationalen Netzwerks gemeinsamer „Pilotlinien“ oder vorkommerzieller Produktionslinien – ähnlich wie das Labor der University of Michigan. um die heimische Batterieindustrie des Landes zu stärken.

„Diese Einrichtungen sind für das Land äußerst wichtig, und wir brauchen ein Netzwerk davon“, sagte Venkat Srinivasan, Direktor des Argonne Collaborative Centre for Energy Storage Science. „Solche Labore sind der Weg, das Risiko von Innovationen zu verringern, sodass Sie sich selbst und allen anderen beweisen können, dass Sie über etwas Überzeugendes verfügen.“

Miller stimmte zu: „Überraschenderweise bleibt es wahr, dass das [Labor] erst jetzt von anderen dupliziert wird, während sich die EV-Revolution entfaltet.“

Die Entstehungsgeschichte des Universitätslabors geht auf eine zunehmend wettbewerbsintensivere Suche nach Batterien für Elektrofahrzeuge zurück, die unzählige Qualitäten erfüllen können.

Grundsätzlich wollen die Hersteller Batterien, die dafür sorgen, dass Autos lange Strecken zurücklegen können, ohne dass sie aufgeladen und schnell hochgefahren werden müssen. Sie haben aber auch andere Anliegen im Blick, etwa den Versuch, Rohstoffe aus Ländern mit Menschenrechtsproblemen auszuschließen – ein Schritt, der eine komplette Überarbeitung der Batteriekomponenten erfordern kann, um ein bestimmtes Mineral zu entfernen.

Als Less sich kürzlich bei einem Rundgang durch das mit Geräten gefüllte Raumlabyrinth des Labors bewegte, erklärte er, dass sich auch die Chemie ändert, wenn eine Batterie größer wird. Die meisten Autohersteller sind nicht daran interessiert, Daten zu sehen, es sei denn, sie können in einem nützlichen Format dargestellt werden, was teure Ausrüstung erfordern kann.

Das sei keine leicht zu findende Ressource, sagte er.

„Die Leute gingen zu Ford und sagten: ‚Hey, schauen Sie sich unsere coolen Daten an‘“, sagte Less. „Ford sagte: ‚Nun, es gibt zwei Probleme … wir stellen keine Batterien her, wir kaufen Batterien, und selbst wenn wir versuchen würden, den Leuten, von denen wir Batterien kaufen, Ihre Technologie nahezubringen, wäre das Format, das Sie präsentieren, das.“ „Das ist für uns nicht von Nutzen, also vergrößern Sie die Kapazität und kommen Sie zurück, wenn Sie für die Hauptsendezeit bereit sind“, sagte er.

Aber für Leute, die Batterien entwickeln wollten, „war die Antwort: ‚Wir wissen nicht, wohin wir gehen sollen, um den Maßstab zu vergrößern‘“, sagte Less.

Im Jahr 2012 schlug Ford eine Partnerschaft mit der Universität vor, sagte Miller, der die Batteriezellenforschung und die fortschrittliche Technik des Autoherstellers leitet.

Damals sagte Miller, dass Ford über die nötigen Kapitalmittel verfüge, um das Labor im eigenen Haus zu bauen, befürchtete aber, dass es in einer unternehmenseigenen Einrichtung schwierig sein würde, ein größeres Ökosystem potenzieller Batterieunternehmen, Nicht-Ford-Zellenproduzenten, Materialproduzenten und anderer zu unterstützen . Daher bot Ford an, die gesamte Batterielaborausrüstung der Universität zu beschaffen und zu kaufen, wenn die Schule sich bereit erklärte, die Einrichtung zu finanzieren und zu besetzen, sagte er. Im Herbst 2015 wurde das Labor offiziell eröffnet.

Seitdem, so Miller, hätten Unternehmen aus der gesamten Automobil-, Batterie- und Materialbranche das Labor als nützlich erachtet. Ford selbst habe im Labor eine Reihe großer Zellbauten durchgeführt, fügte er hinzu, von fortschrittlicher Lithium-Ionen-Technologie unter Verwendung neuartiger Materialien bis hin zu Experimenten, die versuchten, Lithium-Ionen-Chemikalien vollständig zu ersetzen.

Heute wimmelt es in der Einrichtung von Forschern, die beweisen wollen, dass ihre Technologie skalierbar ist.

„Es sind nicht nur kleine Leute, die versuchen, groß zu werden“, sagte Less. „Es sind große Leute, die versuchen, kleine zu validieren, oder große Leute, die sagen: ‚Nun, wir bereiten uns darauf vor, das Serienmodell für das nächste Jahr oder ein fünf Jahre später auf den Markt kommendes Serienmodell auf den Markt zu bringen, wir müssen anfangen, darüber nachzudenken, was als nächstes kommt.‘ unsere Autos.'"

Das jüngste Unterfangen von Ford zeigt, wie schwierig es ist, schnell zu expandieren. Der Autohersteller baut in Michigan ein 3,5 Milliarden US-Dollar teures Batteriewerk für Elektrofahrzeuge und nutzt dabei chinesische Technologie, um schnell neue Autos auf den Markt zu bringen. Das in China ansässige Unternehmen Contemporary Amperex Technology Co. Ltd., der weltweit größte Hersteller von Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP), wird die Technologie für diese Batterien bereitstellen, die in Fords nächster Generation des Mustang Mach-E und des F-150 Lightning zum Einsatz kommen.

Zu den Projekten, auf die sich Wissenschaftler konzentrieren, gehört die Entwicklung von Festkörperbatterien, einer vielgepriesenen Technologie, die als sicherer als Lithium-Ionen-Batterien angepriesen wird, weil sie weniger anfällig für Temperaturschwankungen ist.

Nun sagte Less, er höre Interesse von Forschern, die sich mit wiederaufladbaren Batterien befassen, in denen sich keine Spuren von Lithium befinden.

„Wir schreiben den Leuten hier nicht vor, was sie tun. Die Leute schicken uns ihren Arbeitsplan und sagen: ‚Können Sie uns helfen?‘ „Es ist ein Ja oder Nein“, sagte Less. „Wir sind bereit, fast alles zu versuchen, solange es weder uns noch unserer Ausrüstung schadet.“

Wie ein Großteil der aufstrebenden Elektrofahrzeugindustrie konzentrierte sich die Arbeit im Labor auch auf die Abkehr von problematischen Materialien wie dem in Batteriekathoden verwendeten Kobalt, das dazu beiträgt, die Lebensdauer der Batterien zu verlängern. Ungefähr 70 Prozent des weltweiten Kobalts werden im Kongo abgebaut, wo es dokumentierte Muster brutaler Arbeitsbedingungen gibt.

Bedenken hinsichtlich dieser Bedingungen haben die Forschung angeheizt, die sich auf die Optimierung des Aufbaus der Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien konzentriert, die Nickel, Mangan und Kobalt verwenden, eine Formulierung, die als NMC bekannt ist.

Während Forscher Möglichkeiten gefunden haben, die Menge an Nickel zu erhöhen und die Menge an Kobalt zu verringern, sagte Less, dass dies zu einem kürzeren Lebenszyklus und letztlich zu Kompromissen führe, die berücksichtigt werden müssten.

Und dann sind da noch die Tweets.

Im Jahr 2021 gab Elon Musk, der CEO von Tesla, auf Twitter bekannt, dass sein Unternehmen auf LFP-Batterien für Autos mit Standardreichweite umsteigt.

Weniger gesagt führte dies direkt zu einer intensiven Konzentration auf LFP-Batterien – deren Herstellung China dominiert – im Labor.

Der Fokus der Elektrofahrzeugindustrie auf LFP-Batterien hat sich beschleunigt. Neben Tesla haben auch Unternehmen wie Ford angepriesen, dass die Technologie die Abhängigkeit von teuren und begehrten Materialien wie Kobalt und Nickel verringert. LFP-Batterien bestehen aus Lithium-Eisenphosphat-Kathoden und Graphitelektroden. Die Batterien gelten auch als langlebige Lösung, die häufiges und schnelleres Aufladen zu geringeren Kosten verträgt.

„Wir sind also wieder bei Eisenphosphat“, sagte Less. „Ich muss sagen, es ist eine tolle Idee. Ich meine, Eisen ist überall. Phosphat, wir schütten es auf unseren Rasen, das ist also eine wirklich gute Wahl. Es ist sicherer, es ist billiger. Es ist eine hohe Leistungsdichte, wenn man sich Eisenphosphat ansieht.“ ist ein wirklich gutes Kathodenmaterial.

„Das liegt ausschließlich an Elon Musk“, fügte er hinzu. „Das muss ich ihm anerkennen.“