"Wir wollen einfach besser sein als die bestehenden Batterietechnologien". Das ist das erklärte Ziel von Ilika und dessen Forschung zur Kommerzialisierung von Solid state Batterien. Im Interview gibt John Tinson, Vice President of Sales bei Ilika, einen Überblick über den aktuellen Stand der Entwicklung und die Herausforderungen bei der Entwicklung der Festkörper-Goliath-Zellen von Ilika.
Von medizinischen Anwendungen bis zu Elektroauto-Batterien: Unternehmensprofil der Solid state Firma Ilika
Ilika wurde 2004 als Spin-Out der Universität Southampton gegründet und konzentrierte sich auf die Entwicklung von Verbundwerkstoffen. Nach einer Neuausrichtung im Jahr 2018 fokussierte sich Ilika auf die Entwicklung von Festkörperbatterietechnologie, sowohl im mm-Maßstab (Stereax) als auch in großen gedruckten Zellen (Goliath). Die Stereax-Festkörperzellen im Millimeter-Maßstab sind dabei speziell für die Stromversorgung aktiver implantierbarer medizinischer Geräte (AIMDs) konzipiert. Die erste Generation der Batterien konnten dabei schon von Kunden getestet werden. Seit der Neuausrichtung 2018 arbeitet Ilika auch an einer reinen Festkörperbatterie für den Automobilmarkt. Im Gegensatz zu vielen Konkurrenten ist geplant, Silizium als Anodenmaterial zu verwenden. Als Festelektrolyt sollen Oxidmaterialien zum Einsatz kommen. Die geplanten Festkörperzellen tragen den Namen Goliath (siehe Abbildung 1) und werden eine Kapazität von 80 Ah haben.. Anfang 2023 wurde eine Zusammenarbeit mit Nexeon angekündigt. Nexeon entwickelt Batteriematerialien und wird für Ilika eine Anode mit hohem Siliziumgehalt auf der Grundlage seines spannungsarmen Materials NSP-2 speziell für Festkörperzellen entwickeln.
Die Pilotproduktion von A-Mustern ist für 2025 geplant. Die Produktion wird dann bis zum Ende des Jahrzehnts skaliert und verbessert, so dass ab 2028 in größerem Maßstab produziert werden kann.
Abbildung 1: Die von Ilika geplante 80-Ah-Festkörperbatterie für den Einsatz im Elektroauto ("Goliath"). Bild zur Verfügung gestellt von ilika. Alle Bildrechte bei ilika.
Interview mit John Tinson, Vice President of Sales bei Ilika
John Tinson (Bild links) ist Vice President of Sales bei Ilika und als studierter Physiker auch mit allen technischen Herausforderungen bei der Entwicklung der Festkörperbatterie vertraut. Im Interview gibt er einen Einblick in die aktuelle Entwicklung und die Herausforderungen, die mit der Kommerzialisierung der Festkörperbatterie verbunden sind:
Hallo Herr Tinson. Anfang 2023 haben Sie eine Zusammenarbeit mit Nexeon und anderen Partnern angekündigt, um Hochsiliziumanoden in Ihre Goliath-Festkörperbatterie zu integrieren. Wie läuft das Projekt?
Tinson: Wir haben vor zwei oder drei Monaten mit der Entwicklung begonnen, befinden uns also noch in einem recht frühen Stadium. Wir sind Teil der Faraday Battery Challenge No. 5, einem Regierungsprogramm für die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie. Das Programm heißt HISTORY ("HIgh Silicon conTent anOdes for a solid-state batteRY"). Wir haben vor, Geschichte zu schreiben. So einfach ist das.
Nexeon ist der Anodenlieferant für dieses Projekt und wird die Siliziumanoden entwickeln. Wir haben die NMC-Kathode und den Elektrolyten in den letzten vier Jahren entwickelt. In unseren außerhalb des Programms entwickelten Prototypen haben wir eine Reihe von Silizium- und Graphitmaterialien untersucht. Nexeon wird eine Siliziumanode speziell für uns entwickeln. Die Firma hat bereits eine Siliziumanode entwickelt, aber wir bringen einige spezielle Anforderungen mit, sodass sie eine Anode speziell für unsere, Festkörperbatterie entwickeln werden. Ich denke, es wird noch ein paar Monate dauern, bis wir die ersten Muster für unser System erhalten. Im Moment gibt es viele Meetings und Diskussionen darüber, wie die Siliziumproben aussehen sollen und wie wir sie in unser System integrieren können.
Gibt es auch Pläne, Li-Metall als Anodenmaterial einzusetzen?
Tinson: Nein, wir haben uns schon immer nur auf Siliziumanoden konzentriert. Wir bieten bereits eine kleine medizinische Batterie an, die ebenfalls eine Siliziumanode verwendet, so dass wir hier auf unsere Erfahrung zurückgreifen können. Als wir uns dann mit der Pouch-Zelle für Elektrofahrzeuge befassten, war der Plan immer, eine Siliziumanode zu verwenden.
Handelt es sich bei der Anode mit hohem Siliziumgehalt um 100 % Silizium oder um eine Mischung?
Tinson: Nein, wir verwenden eine Mischung aus mehreren Gründen. Zum einen, um die Ausdehnung zu begrenzen. Zweitens gibt es einen Grenzwert, der unserer Meinung nach bei 50-60 % liegt, ab dem ein bestimmter Prozentsatz der Siliziumanode keinen Nutzen mehr bringt.
Es gibt einige Konzepte mit sehr dünnen Siliziumanoden, aber diese unterscheiden sich erheblich von unseren Konzepten und es gibt große Herausforderungen diese in Serie zu produzieren. Wir testen diese zwar auch außerhalb des Programms, aber innerhalb des Programms wird eine hybride Verbundstruktur verwendet werden. Diese Verbundstruktur mit Silizium im Inneren ermöglicht es, die Ausdehnung zu minimieren, was eigentlich das größte Problem bei der Herstellung einer Siliziumanode ist.
Sie sind eines der ersten Unternehmen, das bereits Festkörperbatterien für medizinische Zwecke verkauft. Was sind die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Festkörperbatterien für Kraftfahrzeuge und für medizinische Anwendungen?
Tinson: Um ehrlich zu sein, gibt es nicht viele Ähnlichkeiten. Das Programm zur Herstellung sehr kleiner medizinischer Batterien für den Einsatz in sehr kleinen medizinischen Geräten haben wir bereits vor einigen Jahren gestartet, und wir verwenden ein halbleiterbasiertes Verfahren für 6-Zoll-Wafer. Wir verwenden Dünnschichtabscheidungs- und Fotolithografie-Patterning Techniken, die in einem völlig anderen Produktionsmaßstab ablaufen als in der Automobilindustrie. Für unsere Festkörper-Stereax-Batterie verwenden wir LCO als Kathodenmaterial, während die Kathode in der Automobilindustrie aus NMC besteht. Das Elektrolytmaterial ist LIPON, während das Elektrolytmaterial der Automobilindustrie LLZO ist.
Die Ähnlichkeit liegt wahrscheinlich in der Anode. In der Stereax-Batterie verwenden wir eine gesputterte Siliziumanode mit einer Schichtdicke von wenigen Mikrometern. Im Elektrofahrzeug hingegen wird eine Graphit-Silizium-Verbundstruktur verwendet. Beides sind aber Festkörperbatterien. Beides sind keramische Objekte. Allerdings sind die Herstellungstechniken und Materialien sehr unterschiedlich.
Sie verwenden Elektrolyte auf Oxidbasis für Ihre Goliath-Technologie. Oxidische Elektrolyte sind für ihre schlechte Schnittstelle zwischen Anode und Elektrolyt bekannt. Wie gehen Sie mit diesen Problemen um?
Tinson: Das ist die Herausforderung. Die Leitfähigkeit und die Impedanz zwischen den Schichten ist die Herausforderung, die wir mit Grenzflächenmodifikatoren meistern. Einer unserer Schritte besteht darin, die aktiven Schichten zu sintern - allerdings nicht bei so hohen Temperaturen, wie man vielleicht denken könnte. Wir haben es tatsächlich geschafft, die Temperatur beim Sintern deutlich zu senken.
Wenn man als Alternative ein Elektrolytmaterial auf Schwefelbasis verwendet, stellt dessen Reaktivität eine Herausforderung dar. Dieses Material ist für den Einsatz in einer Fabrik nicht besonders gut geeignet,da es mit Luft reagiert und säurehaltige Produkte gebildet werden. Diese Reaktion kann auch in einer Batterie im Feld auftreten. Es gibt also sowohl Probleme in der Fabrik bei der Handhabung und Produktion als auch potenzielle Sicherheitsprobleme im Feld, wenn man sich für sulfidbasierte Elektrolytmethoden entscheidet. Deshalb haben wir uns für Oxide entschieden, und das ist unsere Herausforderung, damit dies funktioniert.
Festkörperbatterien werden mit ihrer höheren Sicherheit und dem geringeren Risiko eines thermischen Durchgehens beworben. Das Dendritenwachstum ist jedoch eines der großen Probleme von Festkörperbatterien. Wie schätzen Sie die Sicherheit der Goliath-Festkörperbatterie ein?
Tinson: Die Antwort hängt von der Definition von Sicherheit ab: Sicherheit kann erstens bedeuten, dass ein katastrophales Versagen vermieden wird, und zweitens, was passiert, wenn es doch passiert.
Zu den Dendriten: Wir haben keine Anzeichen von Dendriten in unseren Festkörperbatterien gesehen. Viele Leute behaupten, sie hätten ein festes Material, und dann stellt sich heraus, dass es halbfest oder ein Polymer mit einem hohen Anteil an Flüssigkeit oder Gel ist. Es herrscht also große Verwirrung darüber, was eine Festkörperbatterie überhaupt ist. Ilika verwendet eine feste Festkörperbatterie. Wir sehen keine Dendriten, die uns Sorgen bereiten würden.
Wir zeigen auf unseren Konferenzen auch Videos, in denen wir eine Festkörperbatterie in zwei Hälften schneiden, um zu zeigen, dass sie sicher ist. Unsere keramischen Zellen sind in diesem Zusammenhang sicher, man kann sie beschädigen und zerschneiden und sie bleiben sicher. Was wir auch sehen, ist die Fähigkeit, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, und sie hat eine sehr hohe thermische Durchbruchstemperatur. Und das ist für Batterieentwickler vom Standpunkt der Sicherheit aus sehr nützlich.
Ein vollständiges Verständnis der Auswirkungen eines katastrophalen Versagens kann erst gewonnen werden, wenn wir die angestrebten 80 Ah erreicht und Langzeittests mit ihnen durchgeführt haben. Wir werden Ihnen noch viel mehr darüber erzählen, aber um fair zu sein, haben wir diesen Punkt noch nicht erreicht. Ich kann noch keine Aussage dazu machen, solange ich keine Daten habe, die die Aussage untermauern.
Welches sind die Ziele, die Sie mit der ersten kommerziellen Generation Ihrer Festkörpertechnologie für den Automobilmarkt erreichen wollen?
Tinson: Wir wollen erst einmal sehen, was wir erreichen können. Und dann sprechen wir mit den OEMs. Wir wollen einfach besser sein als die bestehenden Technologien. Wir versuchen nicht, zu extreme Ziele zu erreichen. Das kann sehr lange dauern, denn man stellt dann Ansprüche, die man im Anfangsstadium nie erfüllen kann. Wir wollen die Kapazität der Zelle auf 350 Wh/kg erhöhen, was etwas besser ist als die bestehende Technologie, aber gleichzeitig sicher ist und die Hochtemperaturfähigkeit aufweist, die das Alleinstellungsmerkmal von Festkörperbatterien ist. Notwendig ist auch, dass wir eine Zyklenlebensdauer von mindestens 800 Zyklen erreichen, was wir für ausreichend halten.
It is probably possible to work on a solid state battery for many years and end up with a battery that achieves an energy density of 400 Wh/kg. Because theory says that 450 Wh/kg should be possible. This might be done by using very thin foils, which is a major industrial challenge in manufacturing.
In der Anfangsphase sollte man es mit den Herausforderungen nicht übertreiben. Die Idee war also, einige der Herausforderungen, die die Technologie an ihre Grenzen bringen, wegzulassen und sie später anzugehen, und sich darauf zu konzentrieren, etwas zu schaffen, das tatsächlich schon besser ist als das, was derzeit existiert. Das ist es auch, was die OEMs uns sagen. Macht es einfach besser als das, was heute existiert, und seid sicher und solid state. Und dann hat man etwas, das wir für ein lebensfähiges Produkt halten. Und das ist unsere erste Herausforderung in den nächsten zwei Jahren: das A-Muster von etwas zu erreichen, das besser ist als das, was es heute gibt.
Wie wird sich die Festkörperbatterietechnologie in den nächsten 10 Jahren entwickeln? Wie fortschrittlich werden Festkörperbatterien bis dahin sein, und wie dominant werden sie auf dem Markt sein? Wo sieht sich Ilika in 10 Jahren?
Tinson: Je nachdem, wann die Leute angefangen haben, hängt es davon ab, wann sie aufhören - ich meine A-Phase, B-Phase, C-Phase. A-Phasen und B-Phasen werden wir in der Mitte des Jahrzehnts sehen. Dann ist es noch ein langer Weg bis zur Massenindustrialisierung, bevor sie erschwinglich werden. Und das ist der zweite Teil des Weges, der an sich schon eine Herausforderung sein könnte. Denn damit ein Auto erschwinglich wird, muss man eine Giga-Skala erreichen. Und die Industrialisierung im Giga-Maßstab ist an sich schon eine Herausforderung. Ich denke, dass die ersten guten Muster von Festkörperbatterien in der Mitte des Jahrzehnts verfügbar sein werden. Und gegen Ende des Jahrzehnts werden sie dann in Autos zum Einsatz kommen. Das könnten ziemlich teure Autos sein, weil sie wahrscheinlich mit Kleinserienfahrzeugen beginnen werden. Ich glaube also nicht, dass wir vor Anfang des nächsten Jahrzehnts eine Masseneinführung von Festkörperbatterien erleben werden. Das bringt uns natürlich zu der Frage: Was sind Festkörperbatterien? Dies sind vielleicht einige frühe Beispiele, die als Quasi-Solid-State- oder Semi-Solid-State-Batterien gelten könnten, aber echte Solid-State-Batterien sind noch mehrere Jahre von der Produktion entfernt.
Ich denke jedoch, dass der Einsatz außerhalb des Automobilsektors schon früher erfolgen wird. Die Finanzierung kommt aus dem Automobilsektor, und das ist der Grund, warum man sich bisher auf diesen Sektor konzentriert hat. Wenn man Millionen von Investoren erhält, ist es schwer zu sagen, dass wir etwas anderes versuchen wollen. Kürzlich wurde angekündigt, dass die ersten Anwendungen außerhalb des Automobilbereichs liegen werden. Das ist ein ziemlich kluger Schachzug. Ich denke, dass die meisten Solid-State-Unternehmen diesem Schritt folgen werden. Denn die Zeit bis zur Markteinführung ist kürzer. Und man kann dann mehr Daten aus dieser nicht automobilen Anwendung gewinnen.
Aber die größere Erwartung ist natürlich der Wandel in der Automobiltechnologie, die auf Festkörpertechnologien aufbauen kann. Und das wird etwas sein, das wir erst gegen Ende des Jahrzehnts und darüber hinaus sehen werden.
Vielen Dank für das Gespräch!
Weitere Informationen über Ilika finden sich hier:: https://www.ilika.com/
