EXKLUSIV: Im Tesla

In den Fluren der Labore der Jeff Dahn Research Group, einer international bekannten Forschungs- und Entwicklungseinrichtung für Lithium-Ionen-Batterien, herrscht seltsame Stille.

Es ist Ende August und der gleichnamige Physiker der Gruppe ist im Urlaub.

Am Ende des Flurs von Dahns Büro sitzen etwa 30 Sommerstudenten und Postgraduierte in einem stickigen Hörsaal und hören sich eine Präsentation an.

Für den ungeschulten Batteriewissenschaftler (also diesen Reporter, der in einem mit Tesla-Bildern gesäumten Flur wartet) scheint es, als ob im Moment alle Arbeiten eingestellt wurden.

Aber das ist nicht der Fall.

Wenn man jährlich eine Million Dollar dafür ausgibt, die technologisch fortschrittlichsten Batterien der Welt für einen der berühmtesten (oder berüchtigtsten) Autohersteller der Welt zu entwickeln, gibt es oft buchstäblich keine Ruhe.

Die Sonne brennt auf das Sir James Dunn Science Building auf dem Campus der Dalhousie University in Halifax. Hier leistet die Forschungsgruppe Dahn ihre Arbeit.

Es handelt sich um ein klassisches dreistöckiges Flachhaus aus Stein, benannt nach einem Mann, der kurz vor dem Höhepunkt der Weltwirtschaftskrise Präsident von Algoma Steel mit Sitz in Ontario wurde (und anschließend viel Geld an Dalhousie spendete).

1935 übernahm Dunn die Kontrolle über Algoma und unternahm große Anstrengungen, um das Unternehmen vor dem Bankrott und der Zwangsverwaltung zu retten. Heute ist Algoma ein zentraler Zulieferer im Fahrzeugbau.

Und jetzt, fast 90 Jahre später, widmen sich die in Dunns Gebäude untergebrachten Wissenschaftler (ein paar ausgewählte Dutzend aus der ganzen Welt) 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche der Umgestaltung derselben Automobilindustrie.

Die Jeff Dahn Research Group ist für bahnbrechende Entdeckungen in der Welt der Elektrofahrzeuge verantwortlich. Viele sind heute in Tesla-Autos auf der Straße unterwegs. Die Durchbrüche reichen von der „Millionen-Meilen-Batterie“ (mehr dazu und warum sie später falsch genannt wird) bis hin zur jüngsten Entdeckung, dass das grüne Band, das die Komponenten in fast jeder Elektroauto-Batterie auf der Welt zusammenhält, tatsächlich die Reichweite verringert.

„Batterien sind die absolute Kerntechnologie für alle Tesla-Fahrzeuge“, sagt Michael Metzger, Herzberg-Dahn-Lehrstuhl für fortgeschrittene Batterieforschung am Fachbereich Physik und Atmosphärenwissenschaften und Assistenzprofessor für Physik, in einem Interview mit Electric Autonomy.

Metzger ist einer von zwei Wissenschaftlern, die Dalhousie im Januar 2021 eingestellt hat, als die Partnerschaft mit Tesla erneuert wurde. Er und der Forschungsleiter von Tesla Canada, Chongyin Yang, gelten als Schlüsselfiguren im Nachfolgeplan der Dahn Group – falls und wenn ihr Namensgeber in den Ruhestand geht.

(Hinweis: Es handelt sich hier nicht um eine Ankündigung, dass Dahn in den Ruhestand gehen wird, und es gibt auch keine Anzeichen dafür, dass einer kommt. Aber wie bei den meisten Dingen, bei denen viel auf dem Spiel steht, ist es ratsam, vorbereitet zu sein.)

„Wir haben bei Tesla einen sehr engen Austausch mit Wissenschaftlern und Ingenieuren“, sagt Metzger.

Anscheinend kommen Tesla-Wissenschaftler im Dartmouth-Labor des Autoherstellers regelmäßig nach Dalhousie, um Tests durchzuführen.

„Wir haben fünf große Ziele vereinbart – Tesla und wir. Dies sind: Kosten, Energiedichte, Sicherheit, Lebensdauer und Nachhaltigkeit.“

Metzgers Begeisterung über die Partnerschaft zwischen der Dahn Group und Tesla ist spürbar.

Seiner Darstellung nach besteht zwischen den beiden Institutionen eine Yin- und Yang-Dynamik. Das eine ist ein schnelllebiges, immer hungriges Unternehmen. Das andere ist ein langsam arbeitendes, fleißiges akademisches Labor.

Aber es ist die ideale Kombination, um einen Inkubator für Spitzentechnologie zu schaffen.

„Manchmal warten wir zwei oder drei Jahre, bevor wir eine Forschungsarbeit veröffentlichen können. Das tun nicht viele Forscher. Das können wir, weil wir über eine langfristige Finanzierung durch Tesla verfügen. Andere müssen unmittelbare Wirkung zeigen und Daten veröffentlichen“, sagt Metzger.

„[Tesla] möchte mit uns zusammenarbeiten, würde ich sagen, weil wir versuchen, die Dinge sehr sorgfältig anzugehen und wirklich zu verstehen, wie wir Batterien verbessern können.“

Metzger erklärt, dass die allgemeinen Ziele der Dahn Group und von Tesla absichtlich vage seien, was bei der Förderung von Innovationen hilfreich sei.

„Innerhalb dieser Kategorien gibt es viele, viele verschiedene Projekte. „Jeder Student hat sein eigenes Projekt, an dem er arbeitet“, sagt Metzger, der vor seinem Einstieg bei Dalhousie im Silicon Valley und in Deutschland gearbeitet hat.

„Die Geschichte hier ist, dass es diese Batterien in allen Formen und Größen gibt.“

Der Inhalt einer Batterie kann erheblich variieren, es gibt jedoch drei Hauptformen auf dem Markt: Münz-, Beutel- und Zylinderbatterien.

Batterieformen sind an sich kein Geheimnis. Die meisten Autohersteller verwenden entweder Beutel- oder zylindrische Batterien. Was jede Batterie einzigartig macht, ist das chemische Potenzial im Inneren.

In einem Labor der Dahn-Gruppe stehen mehrere lange Regale mit kleinen Kartons. Jede Schachtel enthält 500 Batteriezellen, auf deren Außenseite mit schwarzem Filzstift eine Kombination aus Buchstaben und Zahlen gekritzelt ist.

„Es ist im Grunde die Geschichte der Lithium-Ionen-Zellen zurück bis ins Jahr 2016, als das Tesla-Projekt startete“, erklärt Metzger. „Ich glaube nicht, dass irgendein anderes Labor so etwas hätte. Das ist wirklich einzigartig.“

Überraschenderweise äußert sich Metzger offen über die Vorgänge in der Forschungsgruppe, erlaubt jedoch keine Fotos der toten Lagerkisten. Dies liegt daran, dass es sich bei den Codes um die chemische Zusammensetzung jeder Batterie handelt, an der die Dahn Group für Tesla gearbeitet hat.

Es ist eine Mauer aus Geschäftsgeheimnissen und eine Roadmap der Erkenntnisse der Dahn Group (und damit auch Teslas) auf dem Weg zum Bau der besten Batterie.

Metzger sitzt an einem Tisch in seinem spärlich dekorierten Büro. Er dreht sich um und holt etwas, das wie vier Blisterpackungen für Handwischtücher aussieht, aus einem Bücherregal.

„Ich würde sagen, das ist wahrscheinlich die beste Lithium-Ionen-Zelle, die man heute herstellen kann“, sagt Metzger und zeigt auf die dünnste in der Reihe blauer Rechtecke, die auf dem Tisch ausgebreitet sind.

Das winzige Folienpaket – eine Batteriezelle – ist zwei Zentimeter breit und vier Zentimeter lang. Es ist 3 Millimeter dick.

Darin, sagt Metzger, befindet sich eine „Jelly Roll“ in Testgröße (eine Methode zum Zusammenfalten und Zusammenrollen von Anode, Kathode und Separator), die die erfolgreichste Batteriechemie enthält, die die Dahn Group bisher für Tesla hergestellt hat.

Die Mini-Pouch-Zelle ist die dünnste der vier Proben und enthält einen neuen Inhaltsstoff.

„Siliziumkarbid“, verrät Metzger. „Wenn Sie Silizium in Ihre negative Elektrode einbauen, können Sie die Energiedichte erheblich erhöhen. Selbst in diesem kleinen Volumen können Sie die gleiche Energie speichern wie in dieser dicken Batterie – der Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP).“

Aber, sagt Metzger, es gibt einen Haken.

Die Siliziumbatterie (Electric Autonomy weiß, wie viel Silizium in der Batterie enthalten ist, stimmte jedoch zu, dies nicht zu melden) funktioniert nicht so zyklisch – also laden und entladen – wie die von der Gruppe entwickelte LFP-Batterie.

Laut Metzger ist die LFP-Batterie die zweitbeste von den vier. Er ist dicker als der Silizium-Akku, fährt aber „super gut“.

Mittlerweile ist die NMC-Batterie in der Schreibtischreihe bereits als „Millionen-Meilen-Batterie“ von Dahn und Tesla bekannt. Aber, sagt Metzger, es stehe vor einer großen Namensänderung.

„Diese Zelle hat jetzt 19.500 Zyklen [Tendenz steigend]. Jeder Zyklus beträgt 300 Kilometer. Bei 20.000 Zyklen wären es also 6 Millionen Kilometer.“

Das heißt, 3.728.227,15 Meilen.

Eine fast vier Millionen Meilen lange Batterie ist eine seismische Innovation.

Eine Batterie mit einer Lebensdauerleistung in diesem Bereich ist an sich schon ein Meilenstein. Aber es ist nicht die einzige ermutigende Entdeckung, die die Dahn Research Group macht.

Am Ende des Flurs von Metzgers Büro befindet sich ein halbdunkler Raum. Zwischen einem Turm aus Computern und Messgeräten, der fast vom Boden bis zur Decke reicht, befindet sich ein Desktop-Computerbildschirm, auf dem eine bekannte Gleichung der Physik angezeigt wird.

In der Batterietechnik gibt es eine magische Zahl: 1.

Die 1, erklärt Metzger über ein lautes Summen, das fast alle Laborräume dominiert, stellt den optimalen Coulomb-Wirkungsgrad (CE) dar. Dies ist die Effizienz der Bewegung von Elektronen und Lithiumionen in Batterien.

Nehmen wir zum Beispiel die ultradünne Batteriezelle auf Siliziumbasis auf Metzgers Schreibtisch. Sie verfügt über die beste Energiedichte aller in den Dahner Laboren hergestellten Batterien. Im Vergleich zu anderen Chemikalien weist es jedoch eine schlechte Kreislaufeffizienz auf.

Die perfekte Batterie hat einen Entlade- und Wiederaufladezyklus, der, wenn man sie durcheinander dividiert, 1 ergibt.

Es sei unwahrscheinlich, sagt Metzger, eine perfekte 1-CE-Batterie zu erreichen, „aber man kann dem sehr nahe kommen.“ Und wir arbeiten daran.“

Die „Arbeit daran“, auf die sich Metzger bezieht, ist die Arbeit, die die Gruppe weiterhin an der NMC/Millionen-Meilen-Batterie leistet. Das Team stellt fest, dass die NMC-Batterie mehr als drei Millionen Meilen später das Gegenteil von dem bewirkt, was der Markt befürchtet.

Es nutzt sich nicht ab; es wird tatsächlich besser.

„Das Schöne an Batterien ist, dass sich der Coulomb-Wirkungsgrad in den ersten Zyklen verbessert“, erklärt Metzger.

„Solange der Batterie im Laufe ihrer Lebensdauer nicht wirklich schlimme Dinge passieren, wird die [CE-]Nummer nicht sinken. Es wird einfach – immer langsamer – steigen. Das ist eine erstaunliche Eigenschaft von Batterien, dass sie mit der Zeit tatsächlich besser und sicherer werden.“

Derzeit liegt der CE-Wert der Millionen-Meilen-Batterie „unglaublich nahe bei 1“, sagt Metzger. Ein von der Dahn Group im Jahr 2019 veröffentlichtes Papier beziffert den CE auf 0,99985.

Nach Kenntnis der Dahn-Gruppe handelt es sich möglicherweise um die höchste Effizienz, die bisher in der Batteriewelt erreicht wurde.

Welche „wirklich schlimmen Dinge“ können einer Batterie im Laufe ihrer Lebensdauer passieren? Zunächst einmal kann es in der realen Welt leben und nicht in einer streng kontrollierten Laborumgebung.

Und es ist von entscheidender Bedeutung, den Unterschied zwischen einer Laborbatterie und einer echten Batterie zu verstehen und zu berücksichtigen.

Um alle Variablen zu berücksichtigen, denen eine Batterie während ihres Betriebslebenszyklus ausgesetzt sein kann und die zu einem vorzeitigen Ausfall führen können, unterzieht das Team die Batteriezellen intensiven Stresstests.

Diese reichen von der Einwirkung von 100 Grad Celsius auf die Batteriezellen (wie sich herausstellt, ist Hitze weitaus schädlicher für eine Batterie als Kälte, sagt Metzger) bis hin zu Zehntausenden von Lade- und Entladezyklen.

Um diese Tests durchzuführen, stützen sich die Forscher auf eine Vielzahl leicht verfügbarer Marktgeräte (zum Beispiel beheizte Öfen) und einige Erfindungen, die sie selbst gemacht haben.

Das Herzstück der Dahnländer Erfindungen lebt in diesem dunklen, kühlen Raum. Im Jahr 2013 war Chris Burns, ein bekannter Dahn-Schüler, unzufrieden mit der Zeit, die für Langzeittests von Batterien im Labor benötigt wurde, um zu sehen, wie sie sich in der realen Welt verhalten würden. Es gab jedoch kein Tool auf dem Markt, um das Problem zu lösen.

Also nahm es Burns, heute CEO des in Bedford, NS, ansässigen Unternehmens für Batterietechnologielösungen Novonix, zur Aufgabe, „ein ultrapräzises Ladegerät“ zu erfinden und dann zu bauen, erklärt Metzger.

„Ich würde sagen, es war wirklich ein Durchbruch für die Batterieforschung. Es ist ein äußerst nützliches Werkzeug für die Industrie. Der Grund, warum Tesla mit uns zusammenarbeiten möchte, liegt nicht in den Standardwerkzeugen, die sie auch kaufen können. Sie wollen Zugang zu solchen Techniken.“

Burns verkauft über Novonix das ultrapräzise Ladegerät jetzt in kompakterer Form als die 1.0-Version bei Dalhousie.

Aber der Erfindergeist bleibt bestehen und die Dahn Research Group entwickelt immer noch neue „Maschinen, die die Maschinen herstellen“ (um einen Ausdruck von Tesla-CEO Elon Musk zu übernehmen).

Den Flur entlang und in einem anderen, viel helleren Raum als Burns' Ladegerät steht Metzger neben einer Reihe roter Metallkisten. Es sieht halb fertig aus, aber immer noch sehr kompliziert.

Und es ist.

Metzgers Spezialgebiet ist die Untersuchung der Gase, die Batteriezellen beim Radfahren ausstoßen. Manchmal können Batteriematerialien interagieren und eine „Nebenreaktion“ erzeugen, die zu unerwünschten Gasemissionen führt. Wenn diese Emissionen hoch genug sind, können sie die Batterie destabilisieren und zum Ausfall oder Schlimmerem führen.

Tatsächlich war Metzger den größten Teil der Tour mit schnellen Branderklärungen und Szenarios versehen, in denen er jeden erdenklichen Aspekt des Problems der unerwünschten Gasansammlung detailliert darlegte.

Die Kurzfassung besagt, dass die Gasbildung schlecht ist. Forscher wie Metzger benötigen ein Werkzeug, mit dem sie messen können, um welche Gase es sich handelt und wie viel davon während des Zyklusvorgangs in der Batteriezelle erzeugt wird, um herauszufinden, wie und warum dies geschieht, und um eine Lösung dafür zu finden.

Leider war für Metzger kein Amazon-Produkt verfügbar, das am nächsten Tag geliefert werden konnte. Deshalb hat er mehrere Jahre damit verbracht, Vorschläge zu schreiben, um die Finanzierung für den Bau seiner eigenen Gasmessmaschine zu sichern, in der Hoffnung, sein Problem zu lösen.

„Man nennt es ein mehrkanaliges elektrochemisches Online-Massenspektrometer“, sagt Metzger über seine Erfindung. Sobald die Maschine mit sechs Kammern betriebsbereit ist, wird sie eine Reihe von Röhren, Kammern und Magneten verwenden, um alle von einer Batteriezelle abgegebenen Gase zu isolieren und zu messen, wie viel von jedem Gas während der Zellzyklen produziert wird.

„Es ist sehr wichtig für uns. Wir müssen verstehen, wann die Gase austreten, unter welchen Bedingungen, bei welchen Temperaturen [und] welchen Spannungen, damit wir das Problem beheben können. Sie sehen das erste auf der Welt, aber wir wissen nicht, ob es funktionieren wird“, fügt Metzger hinzu.

Es gibt 118 bekannte Elemente im Periodensystem.

Bisher hat Kanada 31 davon als „kritische Batteriemineralien“ eingestuft. Das bedeutet jedoch nicht, dass die reinste Version dieser Mineralien die einzigen Inhaltsstoffe sind, die eine Batterie enthält.

Während es bei der Wissenschaft um Regeln und Prinzipien geht, ist Innovation eine Kunst. Manchmal erfordert es, dass Forscher in der Lage sind, ihrer Arbeit kreatives Gespür zu verleihen.

Beispielsweise müssen Natrium-Ionen-Batteriezellen (eine vielversprechende neue Batteriechemie) traditionell in einem trockenen Raum hergestellt werden, sagt Metzger, da die aktiven Materialien mit dem Wasser an der Luft reagieren können. „Sie können sich also vorstellen, wie teuer der Bau einer solchen Anlage ist.“

Doch Anfang 2023 versuchte einer von Metzgers Studenten, Dr. Libin Zhang, zwei Prozent Kalzium zu seinen Batteriematerialien hinzuzufügen, um zu sehen, ob er diese unerwünschte Reaktion im Batterieherstellungsprozess stoppen könnte.

„Die Materialien waren eine Woche lang an der Luft vollkommen stabil. Totaler Durchbruch“, sagt Metzger. „Jetzt können die Menschen diese Materialien in Fabriken herstellen, auch wenn die Luftfeuchtigkeit etwas hoch ist, und sie müssen sich darüber keine Sorgen machen. Das ist eine riesige Sache.“

Und Anfang des Jahres gelang einer weiteren Studentin von Metzger, Anu Adamson, ein großer Durchbruch, als sie bemerkte, dass ungenutzte Zellen auf Regalen standen und sich aus unerklärlichen Gründen selbst entluden.

Warum, fragten sich Adamson und Metzger, sollte das passieren? Die Batterien wurden nicht verwendet – waren noch nie in Gebrauch. Ihre Ladung sollte also nicht belastet werden.

Das Team testete jede Komponente der Batterie. Sie fanden schließlich heraus, dass grünes Klebeband, das in Batteriezellen allgegenwärtig ist, um die Komponenten zusammenzuhalten und keine andere Funktion erfüllt, ein Polyethylenterephthalat-Polymer enthält.

Dieses Polymer reagiert mit den Chemikalien in einer Batterie und verursacht eine Elektrodenreaktion, die die Batterie entlädt. Man nennt es eine „parasitäre Reaktion“.

„Wir dachten nicht, dass es eine Rolle spielen würde. Aber es stellt sich heraus, dass diese Bänder tatsächlich ziemlich wichtig sind“, sagt Metzger. Eine einfache Lösung, nämlich die Verwendung eines dünneren, günstigeren Klebebands mit einem Polypropylen-Kleber, löste das Problem.

„Das ist etwas, das in der Industrie umgesetzt wird.“

Diese mühsamen Entdeckungen – die Zugabe von Kalzium zu Batteriematerialien, um sie zu stabilisieren und die Entdeckung einer Lösung für die unerwünschte Reaktion des Green-Tape-Polymers – sind alle zwei oder drei Jahre ein Höhepunkt in Metzgers Arbeit.

Und das ist für Metzger die Motivation, weiter zu basteln und zu optimieren, manchmal Molekül für Molekül, um den optimalen Chemie-Sweet-Spot zu finden, der die ideale Batterie ergibt.

„Ich wollte etwas tun, bei dem ich Einfluss auf den Klimawandel nehmen und etwas Nützliches tun kann. „Wir müssen alles elektrifizieren, und zwar bis 2050, sonst sind wir am Arsch“, sagt Metzger am Ende des zweistündigen Rundgangs.

„Es ist ein sehr schockierender Gedanke für mich, aber im Jahr 2050 werde ich 65 sein. Ich werde in den Ruhestand gehen. Wenn ich also zu diesem Zeitpunkt einen guten Beitrag auf diesem Gebiet geleistet habe, denke ich, dass ich glücklich sein werde.“

Ich bin froh, dass einige Leute fleißig an den wichtigsten Problemen des Tages arbeiten, anstatt rumzusitzen und alles für aussichtslos zu erklären.

Deine Email-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind markiert *

Kommentar *

Name *

Email *

Webseite