Feststoffbatterie-Packs

Feststoffbatterien mit Lithiummetall als Anodenmaterial könnte die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen. Bilder: BMW / Illustration: Andreas Croonenbroeck

Noch immer gilt die Reichweitenangst bei Elektroautos als größter Hemmschuh für den Durchbruch der elektrifizierten Mobilität. Laut einer aktuellen Mobilitätsstudie des Zulieferers Continental ist für 57 Prozent der Deutschen die eingeschränkte Reichweite der Stromer noch ein Hinderungsgrund, um sich vom Verbrennungsmotor zu verabschieden. Auch auf weiteren internationalen Märkten wie den USA, China, Japan und Frankreich gehören mangelnde Reichweite und zu wenige Ladestationen für viele Konsumenten zu den Hauptgründen, warum ein Elektroauto bislang für sie nicht in Frage kommt. Während die Forschung insbesondere beim Ausbau der Ladeinfrastruktur im Gegensatz zu Industrie und Politik wenig auszurichten vermag, gibt es in Sachen Batteriereichweite vielversprechende Ansätze, die der E-Mobilität zum nachhaltigen Erfolg verhelfen könnten.

Im Projekt Alano (Alternative Anodenkonzepte für sichere Feststoffbatterien) befassen sich Partner aus Industrie und Forschung unter der Koordination von BMW mit Lithiumbatterien der nächsten Generation: Lithiummetall als Anodenmaterial und ein fester Elektrolyt sollen bei hoher Sicherheit die Energiedichte auf Zellebene erhöhen und damit die Reichweite der Stromer verlängern. Neben dem bayerischen Premiumhersteller ist auch das Helmholtz-Institut Ulm (HIU), das vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Ulm gegründet wurde, an dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Vorhaben beteiligt.

Neue Anodenkonzepte sollen Sicherheit der Batterie erhöhen

Gemeinschaftlich evaluieren Partner aus Forschung und Industrie hier unterschiedliche auf Lithiummetall basierende innovative Anodenkonzepte für Feststoffbatterien, um die Reaktivität, Sicherheit und Leistungsfähigkeit der Anode zu optimieren und diese in einer robusten Zelleinheit mit hoher Energiedichte zu integrieren. Bei dieser Bauform bestehen sowohl beide Elektroden als auch der Elektrolyt aus festen Materialien. Besonders der feste Elektrolyt verspricht Vorteile für die Sicherheit: Er sei nach Angaben der Forschungspartner schwer entflammbar und könne nicht auslaufen.

„Lithiummetall als Anodenmaterial besitzt das Potenzial, die Energiedichte auf Zellebene erheblich zu steigern und damit die Reichweite von Elektroautos deutlich zu verlängern“, erklärt Stefano Passerini, Direktor des an Alano beteiligten Helmholtz-Instituts Ulm und Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemie der Batterien am HIU. Entscheidend sei dabei die Kombination mit einem festen Elektrolyten. Im Gegensatz zu konventionellen Flüssigelektrolyten, die stark mit Lithiummetall reagieren, sind Festelektrolyte weniger reaktiv und eröffnen damit die Möglichkeit, kinetisch stabile Grenzflächen auszubilden.

Dies wiederum verspricht weitere Vorteile: „Erstens wird die Sicherheit wesentlich verbessert, da die Zellen keine flüssigen und leicht brennbaren Bestandteile enthalten“, erläutert Dominic Bresser, Leiter der Forschungsgruppe Elektrochemische Energiespeichermaterialien am HIU. „Zweitens erhöht sich die Robustheit der Zellen, wodurch Handhabung, Kühlung und Systemintegration leichter werden.“ So lassen sich die Kosten auf Zell-, Modul- und Systemebene senken. Zugleich steigt die Lebensdauer der Zellen, was sich positiv auf die Nachhaltigkeit auswirkt.

BMW will bei der Feststoffbatterie Tempo aufnehmen

Das Projekt soll die gesamte Wertschöpfungskette von Feststoffbatterien mit Lithiummetall als Anodenmaterial abdecken: von der Auswahl der Materialien über die Herstellung der Komponenten, die Verarbeitung zu Zellen, die Skalierung der Batterien für den Einsatz in Fahrzeugen und andere Anwendungen bis hin zum Recycling. Die Integration in die Kreislaufwirtschaft wird somit ebenfalls berücksichtigt.

Lithium-Ionen-Batterie und Feststoffbatterie
Im Vergleich zur konventionellen Lithium-Ionen-Batterie ermöglichen die Zelldesigns von Feststoffbatterien eine höhere Energiedichte und damit größere Reichweiten.

Abseits von Forschungspartnerschaften treibt BMW aber auch die wirtschaftliche Zusammenarbeit mit Experten der Feststoffbatterie voran: So schloss sich der Münchener OEM im Mai einer B-Finanzierungsrunde an, die insgesamt 130 Millionen US-Dollar in den Feststoffbatteriehersteller Solid Power investierte. Neben BMW waren auch Ford und Volta Energy Technologies beteiligt. „Wir bei der BMW Group werden bei der Entwicklung der innovativen Batterietechnologie eine zentrale Rolle einnehmen. Die Feststoffbatterie ist eine der vielversprechendsten und wichtigsten Technologien hin zu effizienteren, nachhaltigeren und sichereren Elektrofahrzeugen. Wir haben nun unseren nächsten Schritt auf diesem Weg mit Solid Power getan. Die BMW Group hat in den letzten zehn Jahren ihre Kompetenz in der Entwicklung von Batteriezellen kontinuierlich gesteigert – wichtige Partner wie Solid Power teilen unsere Vision einer emissionsfreien Mobilität“, unterstreicht BMW-Entwicklungsvorstand Frank Weber die strategische Investition.

Solid Power produziert derzeit mehrschichtige 20-Ah-Feststoffbatterien auf seiner Roll-to-Roll-Produktionslinie, die ausschließlich branchenübliche Lithium-Ionen-Produktionsprozesse und -anlagen nutzt. Sowohl Ford als auch BMW erhalten ab 2022 100-Ah-Zellen für Automobil-Qualifikationstests sowie zur Fahrzeugintegration. Die Feststofftechnologieplattform von Solid Power ermögliche laut Unternehmensgaben die Herstellung individueller Zelldesigns, die individuelle Leistungsanforderungen für unterschiedliche Autobauer erfüllt. Für das Ende des Jahrzehnts hat die BMW Group eine automotive-taugliche Feststoffbatterie für die Serienfertigung angekündigt. Ein erstes Demonstrator-Fahrzeug soll nach Unternehmensangaben noch deutlich vor 2025 auf der Straße sein.

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