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28. März 2023

Montag Special: Amprius’ Batterierevolution verdoppelt gravimetrische und volumetrische Energiedichte

Montag Special: Amprius’ Batterierevolution verdoppelt gravimetrische und volumetrische Energiedichte

Im August 2020 mussten wir die Zahlen noch mit einem dicken Fragezeichen versehen. Nun ist der Amprius-Durchbruch nach zweieinhalb Jahren tatsächlich da.

Montag Special: Amprius’ Batterierevolution verdoppelt gravimetrische und volumetrische Energiedichte

Als Elon Musk bei Battery-Day 2020 die neuen 4680er-Batterien vorstellte, war die Euphorie groß. Mit einer voluminöseren Form, die strukturelle Batteriepacks ermöglicht, und einer neuen Silizium-Anoden-Technologie sollte die kommende 4680er-Batterie die Elektromobilität nachhaltig revolutionieren. Die Tesla-Batterie-Revolution indes blieb bis heute aus. Die 4680er-Batterie trug durch ihre strukturelle Komponente zwar zu Gewichtsersparnis und indirekt zu einer Erhöhung der Energiedichte bei, die volumetrische und gravimetrische Energiedichte auf Zellebene jedoch blieb innerhalb bekannter Werte. Der Grund: bislang werden die 4680er-Batterien noch mit der üblichen Graphit-Anoden-Technologie gefertigt. 

Fortschritte bei der Energiedichte: im August 2020 mussten wir die Zahlen noch mit einem dicken Fragezeichen versehen. Nun ist der Amprius-Durchbruch nach zweieinhalb Jahren tatsächlich da.

Silizium-Anoden Technologie

Vor allem die Anodentechnologie beeinflusst die Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie. Tatsächlich ist die Graphit-Anode die am weitesten verbreitete Batterie-Chemie. Unternehmen experimentieren mit zahlreichen anderen Materialien, die die Lithium-Kapazität erhöhen sollen. Denn: je mehr Lithium innerhalb der Anode aufgenommen wird, desto höher ist die Energiedichte. Silizium ist derzeit das Material der Stunde. Theoretisch könnte eine Silizium-Anode bis zu 10x mehr Lithium-Ionen „speichern“.

Problem: Volumenänderung und Dendritenbildung

Dummerweise ändert sich das Volumen der Silizium-Anode beim Be- und Entladen der Batterie weit dramatischer als bei einer Graphit-Anode. Zudem ist die Dendritenbildung bei dieser Zellchemie sehr ausgeprägt, Kurzschlüsse sind die Folge. Die Lebensdauer einer solchen Batterie sinkt damit auf eine sehr geringe Zyklenanzahl – mit anderen Worten: die Superbatterie hält einfach nicht lange genug.

Die Unternehmen versuchen dies durch spezielle Beschichtungen zu kompensieren, bislang mit mäßigem Erfolg. Dem US Start-up Amprius scheint nun ein echter Durchbruch gelungen zu sein. Bereits 2020 berichteten wir über das Fremonter Unternehmen und seine sogenannte „Nanowire-Technologie“. Amprius kündigte damals an, dass man noch im Jahr 2020 erste Labormuster mit Silizium-Anoden Batterien präsentieren werde. Tatsächlich waren die Labormuster noch sehr fragil, von einem echten Durchbruch konnte man damals nicht sprechen. Was Amprius aber schon früh erreichte, war eine Batterie, die vor allem gegen mechanische Einwirkungen weit resilienter blieb. Sogar das US-Militär setzte darauf hin die ersten Muster zur Evaluierung ein und war beeindruckt.

Gravimetrische Energiedichte: nahezu halbes Gewicht für dieselbe Reichweite auch auf Pack-Level.

Der Durchbruch ist da

Nun hat das Unternehmen durch ein unabhängiges Prüfinstitut seine jüngsten Prototypen prüfen lassen. Das Ergebnis: letzte Woche wurde die Verdoppelung der gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte zum status quo nachwiesen. „Diese Zellen bieten eine Laufzeit von 200 % im Vergleich zu modernen Graphitzellen und sind gleichzeitig leichter und kleiner als andere Batterien mit demselben Energiegehalt“, sagte Jon Bornstein, Präsident von Amprius Lab. „Diese jüngste Bestätigung setzt die Erfolgsgeschichte von Amprius bei der Herstellung der weltweit leistungsstärksten Batteriezellen fort und setzt einen Branchenmaßstab für die Batterietechnologie der nächsten Generation, die letztlich revolutionieren wird, wie hoch wir fliegen, wie weit wir reisen und wie lange wir unsere Geräte nutzen können.“

Volumetrische Energiedichte der Amprius Silizium-Anoden-Batterie im Vergleich zum status quo.

Preisentwicklung und erste Einsatzgebiete

Derzeit ist über Preise noch nichts bekannt, jedoch kann davon ausgegangen werden, dass diese noch erheblich höher, als bei herkömmlichen Batterien liegen. Tatsächlich wird der industrielle Hochlauf der Produktion erst in den nächsten Jahren erwartet. Aber – bereits jetzt ist die Luftfahrtindustrie mehr als überzeugt. „“Wir freuen uns darauf, die Vorteile der 500-Wh/kg-Zelle von Amprius zu nutzen, um die unübertroffenen Ausdauerfähigkeiten von Zephyr in der Stratosphäre weiterzuentwickeln“, sagte Pierre-Antoine Aubourg, Chief Technical Officer bei AALTO HAPS, der Airbus-Tochtergesellschaft, die die zu 100 % solarelektrische High Altitude Platform Station für Konnektivitäts- und Erdbeobachtungsanwendungen entwickelt. „Amprius ist ein geschätzter aktueller Lieferant mit einer hervorragenden Erfolgsbilanz, und wir sind zuversichtlich, dass die Batterie von Amprius die von uns benötigte Leistung erbringen wird.“

AALTO Zephyr-Drohne: Bis auf 60.000 Fuß, nur 75 kg schwer, 25 Meter Spannweite.

e-engine meint: Natürlich steht der industrielle Hochlauf noch aus. Auch die Kostenseite (für Pkw) ist weitgehend ungeklärt. Die Amprius-Zelle ist allerdings weit über ein „Proof-of-Concept“ hinaus. Faktisch revolutioniert sie zukünftig auch die Elektromobilität, denn mit einer doppelten Energiedichte benötigen Autos, die mit dieser Zelle ausgerüstet werden, nur noch den halben Platz für dieselbe Reichweite. Auch das Fahrzeuggewicht wird damit mit einer Verdoppelung der Reichweite nicht mehr ansteigen. Theoretisch sind Autos mit „echten“ Reichweiten um die 1.000 Kilometer möglich. Und selbst wenn die Batterie dieselbe Zyklenanzahl wie die gute alte Graphit-Anoden-Batterie hätte, verdoppelt sich damit die Kilometerleistung einfach so, weil man das Fahrzeug nur halb so oft aufladen müsste. Und das ist die eigentliche Revolution. Die erste Amprius-Fabrik wird auf rund 71.900 Quadratmetern (der vorherige Wert war irrtümlich in Quadratmetern angegeben, es handelte sich allerdings um Quadratfuß!) in Brighton, Colorado jährlich 5 GWh Produktionskapazität haben.

Amprius besteht U.S. Army Nageldurchdringungstest mit beispielloser 390 Wh/kg Batteriezelle

Fotos: Amprius Technologies, AALTO (Zephyr)

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