Feststoffbatterien mit Lithiummetall als Anodenmaterial könnte die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen. (Bild: Andreas Croonenbroeck)
Der König ist tot, es lebe der König. Doch halt, noch ist es nicht so weit. Zumindest nicht bei den Akkus für Elektroautos. Denn die klassische Lithium-Ionen-Batterie ist noch nicht am Ende ihres Lebenszyklus angekommen. Noch bietet die bewährte Technik genug Potenzial zur Weiterentwicklung. So will Mercedes ab Mitte der Dekade gemeinsam mit dem Partner Sila Nano bei der elektrischen Version des Geländewagens G-Klasse eine signifikante Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt bringen. Die Energiezellen sollen dann eine Energiedichte von mehr als 800 Wh/l haben, was 20 bis 40 Prozent über dem Wert der aktuellen Lithium-Ionen-Akkus liegt. Die anderen großen OEMs peilen ähnliche Werte an.
Was ist eine Feststoffbatterie?
Eine Feststoffbatterie, auch Festkörperbatterie, unterscheidet sich von herkömmlichen Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien durch den Gebrauch eines festen anstelle eines flüssigen oder gelartigen Elektrolyten.
Die wichtigsten Unterschiede:
- Elektrolyt-Material: Der größte Unterschied zwischen einer Feststoffbatterie und anderen Batterietypen besteht darin, dass sie einen festen anstelle eines flüssigen oder gelartigen Elektrolyten verwendet. Dies kann zu höherer Sicherheit und Energieeffizienz führen.
- Sicherheit: Feststoffbatterien gelten als sicherer als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Der feste Elektrolyt ist weniger leicht entflammbar wie die flüssigen Elektrolyten, die in anderen Batterien verwendet werden. Darüber hinaus besteht ein geringeres Risiko für Leckagen.
- Energiedichte: Feststoffbatterien haben in der Regel eine höhere Energiedichte als herkömmliche Batterien. Das bedeutet, sie können mehr Energie in einem kleineren Volumen speichern. Das könnte zu kleineren und leichteren Batterien für Elektrofahrzeuge führen.
- Betriebstemperatur: Feststoffbatterien können bei einer größeren Bandbreite von Temperaturen betrieben werden, was sie für extreme Umgebungen geeigneter macht.
- Ladezyklen und Lebensdauer: Feststoffbatterien können eine höhere Anzahl von Ladezyklen und eine längere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien bieten. Zeitgleich lassen sich Festkörperbatterien deutlich schneller laden.
Welche Vorteile bietet die Feststoffbatterie?
Doch das Bessere ist der Feind des Guten. Wenn sich das Jahrzehnt dem Ende zuneigt, sollen dann auch in den Produkten des schwäbischen Autobauers Feststoffzellen-Akkus für die Energie sorgen. Die Vorteile dieser Akkus sind eine deutlich höhere Energiedichte. Zur Verdeutlichung: Eine Lithium-Metall-Anode hat eine rund zehnmal höhere spezifische Energie als die Grafit-Anode einer Lithium-Ionen-Batterie.
„Wir erwarten mit Feststoffbatterien Energiedichten von bis zu 1.200 Wh/l“, lässt Mercedes verlauten. Das verspricht eine deutlich größere Reichweite. Doch nicht nur das. „Mit diesen Leistungswerten eröffnen sich neue Anwendungen für die Elektrifizierung, etwa batterie-elektrisches Fliegen oder auch Lösungen bei schweren Nutzfahrzeugen“, stellt Peter Fintl, Leiter Technologie und Innovation bei Capgemini Engineering, fest.
Die Tatsache, dass Feststoffbatterien aus anorganischen, festen beziehungsweise keramischen Elektrolyten, die in dünnen Schichten übereinander angeordnet sind, erhöht die Stabilität und damit die Sicherheit, da diese Bauteile auf Hitze oder Beschädigungen resistenter reagieren und damit weniger entflammbar sind. Allerdings funktionieren Feststoffakkus nur in einem Bereich von 50 bis 80 Grad Celsius. Keine besonders guten Voraussetzungen für ein zuverlässiges Kaltstartverhalten bei sehr tiefen Temperaturen. Die Forschung zielt darauf ab, diese Hürde zuverlässig zu überwinden. Ist das gelungen, überwiegen die Vorteile der Feststoffbatterien und die Reichweite bei den Pkws steigt drastisch an.
Feststoffe auf Basis von Polymeren
Im Rahmen des Projekts Zellplattform Polymere, kurz: FB2-POLY, wollen die Hochschule Landshut mit ihren Forschern am Technologiezentrum Energie (TZE) mit dem Helmholtz-Institut Münster, dem Helmholtz-Institut Ulm und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) neue Konzepte für leistungsfähige und sichere Batterien mit Feststoffen auf Basis von Polymeren wie Kunststoffen entwickeln. Das Projekt läuft voraussichtlich bis Oktober 2024 und ist Teil des BMBF-Kompetenzclusters Festkörperbatterien (FestBatt).
Die Hochschule Landshut übernimmt dabei unter anderem die Entwicklung einer lithiumfreien Anode, basierend auf der Technik des Elektrospinnings. Hierbei bildet sich die Lithium-Anode erst während des Aufladens ausgehend von dem Lithium aus der Kathode und löst sich beim Entladen wieder auf. Die Verwendung einer lithiumfreien Anode verspricht den Hochschulexperten zufolge erheblich geringere Produktionskosten für Batterien, da die Verarbeitung von metallischem Lithium komplexe Prozesse erfordere. Aus Anwendungssicht untersucht das Landshuter Team die Möglichkeit, die Laminierungstechnik für den Aufbau und die Verbindung von Festkörperbatterien mit einem Polymer als Elektrolyt zu nutzen. Ziel sei es, dieses Verfahren in die Großproduktion zu überführen.
Am Ende des Projekts wollen die Wissenschaftler des Kompetenzclusters Materialien bereitstellen, die Deutschland befähigen sollen, in Zukunft führend im Bereich der Batteriespeicher zu werden. Im Austausch mit der Industrie entwickeln sie Strategien, die im Rahmen einer Pilotfertigung angewendet werden sollen. Dabei wollen die Forschenden gleich von Anfang an die späteren Bedürfnisse der industriellen Entwicklung mitdenken.
Nio kündigt 150-kWh-Batteriepaket aus Serienproduktion an
Medienberichten zufolge hat Nio im Rahmen seines Batterietauschkonzeptes das erste serienmäßig hergestellte halbfeste Batteriepaket auf den Markt gebracht. Derzeit werden die Fahrzeuge des chinesischen OEM hauptsächlich mit zwei Batterieoptionen angeboten: 75 kWh und 100 kWh. In Kürze soll die neue Batterieoption mit einer Kapazität von 150 kWh und einer Energiedichte von 360 Wh/kg für eine erhöhte Reichweite von bis zu 1.055 km sorgen.
Nach der ersten Ankündigung im Jahr 2021 habe Nio nun mit der Massenproduktion Semi-Solid-Batterie begonnen, die von WeLion New Energy Technology entwickelt wurde. Der Batteriehersteller fungiert zusätzlich als Lieferant der Akkus. Wann genau die Batteriepakete auf den Markt kommen sollen, ist bisher noch unklar. In den sozialen Medien verkündete der Automobilhersteller jedoch, dass die offizielle Markteinführung für das zweite Quartal dieses Jahres geplant ist.
Svolt präsentiert sulfidbasierten Elektrolyt
Das chinesische Unternehmen Svolt setzt derweil ein eigenes Forschungs- und Entwicklungsteam für die Weiterentwicklung von Festkörperzellen ein. Man habe kürzlich eine erste Charge von 20Ah-Zellen mit sulfidbasiertem Festkörper-Elektrolyt produziert und sei der erste Batteriehersteller in China, der die Herstellung dieses Typs der Festkörperzelle demonstrieren konnte, heißt es beim Unternehmen. Dort nennt man als Herausforderungen die hohe Leitfähigkeit des Festkörperelektrolyten und der Trennschichten, die Aufrechterhaltung eines stabilen Kontakts der Grenzflächen über lange Zeiträume sowie die effiziente Übertragung von Lithium-Ionen an der Grenzfläche, auch bei hohen C-Raten.
Zellen mit sulfidbasiertem Festkörperelektrolyt seien Zellen mit Flüssigelektrolyt in Bezug auf Energiedichte, Ladegeschwindigkeit, Sicherheit, Zyklenfestigkeit und Temperaturbeständigkeit überlegen, heißt es bei Svolt. Demonstriert habe man dies durch erfolgreich absolvierte Abuse-Tests, etwa einem 200°C Hot-Box-Test und einem Nageldurchschlagtest. Diese Testbedingungen würden bei Flüssigelektrolyt-Zellen mit hohem Energieinhalt typischerweise ein thermisches Durchgehen der Zelle verursachen. Die neuen 20Ah-Zellen habe die Tests dagegen unbeschadet überstanden. Aktuell plant Svolt den weiteren Ausbau seiner Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf dem Gebiet der Festkörperbatterien wie auch bei neuen Prozesstechnologien, um die technologischen Grundlagen für die Massenproduktion weiterzuentwickeln.
BMW will Feststoff-Wertschöpfung abbilden
Mittlerweile sehen die Manager der Autobauer in der Feststoffbatterie auch die Chance, den Vorsprung der Asiaten bei den Lithium-Ionen-Batterien wettzumachen. Letztendlich das gleiche Kalkül wie beim Verbrennungsmotor, nur mit umgekehrten Vorzeichen. „Die Solid State Technik ist noch eine Art Wette. In meinen Augen lohnt es sich jedoch gerade für europäische Unternehmen diese einzugehen“, bekräftigt Peter Fintl. Also ist bei den OEMs ein Wettlauf um die besten Entwicklungspartner entbrannt. BMW beispielsweise hat sich an die Spitze des Forschungsprojektes Alano gesetzt, bei dem der Münchner Autobauer gemeinsam mit dem Helmholtz-Institut Ulm sowie weiteren Partnern innovative Konzepte für E-Auto-Akkus mit Lithiummetall-Anode entwickelt.
Das ehrgeizige Ziel ist nicht nur eine serienreife Feststoffzellenbatterie, sondern das Darstellen einer gesamten Wertschöpfungskette. Angefangen 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. Einen Schritt weiter sind die Münchner bei einem anderen Feststoffakku-Projekt, in das sie gemeinsam mit Ford investiert haben. Das amerikanische Unternehmen Solid Power produziert in einer Pilotanlage bereits Prototypen ihrer Festkörperbatterien. Laut Solid Power verfügen diese Energiespeicher über eine Energiedichte von 390 Wh/kg sowie 930 Wh/l und können in lediglich 15 Minuten auf 80 Prozent ihrer Kapazität geladen werden. Die Anode dieser Akkus besteht zur Hälfte aus Silizium und die Basis des festen Elektrolyts ist ein Sulfid. Die genaue Zusammensetzung bleibt natürlich geheim. Noch in diesem Jahr sollen die ersten Akkus in Prototypen-Autos rollen.
Das hat VW mit QuantumScape vor
Beim Kampf um die Poleposition bei den Feststoffbatterien schauen die anderen Automobilhersteller nicht untätig zu. Der Volkswagen-Konzern ist schon seit vier Jahren der größte Anteilseigner bei QuantumScape, einem Startup der Stanford University, jetzt gibt es neue Ergebnisse. Der Mitbegründer und CEO Jagden Singh hat unlängst während des Green Summit von Bloomberg verkündet, dass es seinem Unternehmen gelungen sei, eine Feststoffzelle mit 16 Schichten herzustellen, die nach 500 Schnellladezyklen von jeweils 15 Minuten noch über 80 Prozent Kapazität aufweist. Das Entscheidende ist nicht nur die Erhöhung der Anzahl der Schichten um sechs gegenüber einer Zelle, die das Startup im November 2021 vorgestellt hatte, sondern die Tatsache, dass die Zellen jetzt bei einer Temperatur von 25 Grad und einem Luftdruck von nicht mehr als 3,4 Bar funktioniert.
QuantumScape setzt bei seinen Festkörperakkus auf Variabilität. „Unsere Architektur ist kathodenunabhängig, sodass wir von Nickel zu Eisen wechseln können“, erklärte Singh. Der Clou sei, dass man eine eisenbasierte Kathode mit einer Lithium-Eisen-Anode koppeln könne und so eine 50-prozentige Steigerung der Energiedichte erhält. Diese Möglichkeit ist gerade bei einer angespannten Lieferkettensituation von Vorteil. „Bei der Kathode unterliegen wir den gleichen Beschränkungen in der Lieferkette wie alle anderen auch", so Singh.
Wann will Toyota Pkw mit Feststoffakkus bringen?
Toyota springt ebenfalls auf den Feststoffakku-Zug auf und tüftelt gemeinsam mit Panasonic an solchen Batterien. Diese Aufgabe übernimmt das Joint-Venture der beiden Unternehmen Prime Planet Energy & Solutions Inc.. Der Schlüssel zu diesen Energiespeichern ist der Elektrolyt, der bei der Toyota und Panasonic eine Phosphor-Schwefel-Verbindung ist. Die Japaner planen, dass 2025 der erste Pkw mit einer Feststoffbatterie auf den Markt zu bringen. Allerdings wird das kein BEV, sondern ein Hybrid-Modell sein.
Der Grund für diese vermeintlich wenig mutige Entscheidung sind die Kosten. Aktuell sind Festkörperakkus noch deutlich teurer als Lithium-Ionen-Batterien, das würde die Kosten für ein solches Fahrzeug in die Höhe schießen. Das will Toyota mit aller Macht verhindern. Auf lange Sicht sollen die Feststoffbatterien aber günstiger werden, als es die heutigen Akkus sind. Außerdem sieht Toyota den Einsatz in einem Hybrid als Härtetest. Darunter die vielen Ladezyklen, die bei diesem Konzept vorkommen und auch die Temperatur der Zellen wird auf eine Nagelprobe gestellt.
Bestehen die Energiespeicher diesen Härtetest, dann sollen sie spätestens 2028 in den Serieneinsatz gehen. Derzeit arbeite Toyota bereits mit Hochdruck an der Massenproduktion entsprechender Festkörperbatterien, wie der OEM mitteilt. Die Werte dieser Batterie sind beeindruckend und könnten die aktuellen Probleme der E-Mobilität langfristig lösen: Bis zu 1200 Kilometer Reichweite bei einer Ladezeit von gerade einmal 10 Minuten bis 80 Prozent Ladekapazität. Perspektivisch sollen sogar 1500 Kilometer Reichweite drin sein.
Mercedes arbeitet mit mehreren Feststoff-Startups
Das US-amerikanische Startup Factorial Energy zieht die Automobilhersteller an wie Motten das Licht. Neben Stellantis und Hyundai investiert auch Mercedes in die Firma aus Woburn, im US-Bundesstaat Massachusetts. Nach Angaben des Unternehmens haben die Techniker bei diesen Energiespeichern auch das Temperaturproblem gelöst, sodass die Zellen bereits bei Raumtemperatur betriebsfähig sind. Die Erwartungen sind groß: „Mit Factorial als neuem Partner an unserer Seite heben wir die Forschung und Entwicklung im Bereich der vielversprechenden Feststoffbatterie auf das nächste Level. Dafür beteiligen wir uns an Factorial mit einem hohen zweistelligen Millionenbetrag in US-Dollar“, erklärt Mercedes Technik-Vorstand Markus Schäfer.
Welche Elektrolyte kommen in der Feststoffbatterie zum Einsatz?
Feststoffbatterien nutzen verschiedene Arten von festen Elektrolyten anstelle der üblichen flüssigen oder gelartigen Elektrolyte. Hier eine Übersicht über die gängigsten Elektrolyt-Typen:
- Polymer-Elektrolyte: Diese sind aufgrund ihrer Flexibilität und Sicherheit weit verbreitet. Sie bestehen aus langen Polymerketten, die Lithium-Ionen leiten können.
- Glaskeramische Elektrolyte: Diese enthalten oft Lithium und andere Bestandteile und sind für ihre hohe Leitfähigkeit bekannt.
- Oxidkeramische Elektrolyte: Sie können hohe Ionenleitfähigkeiten erreichen und sind thermisch stabil, haben aber oft Probleme mit der Herstellung und Schnittstellenstabilität.
- Sulfidbasierte Elektrolyte: Einige der bekanntesten Beispiele sind Lithium-Phosphor-Sulfid (LPS) und Thio-LISICON. Sie bieten eine hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeit, sind aber chemisch instabil in Kontakt mit Luft oder Wasser.
Doch Mercedes wäre nicht Mercedes, wenn man seine Feststoffbatterie-Strategie nicht auf mehrere Säulen stellen würde. Die zweite Trumpfkarte im Wettrennen um die Akkus der Zukunft ist die taiwanesische Firma ProLogium, mit dem der schwäbische Autobauer schon länger zusammenarbeitet. Auch hier pumpen die Schwaben Geld in die Forschung und erhalten im Gegenzug einen Sitz im Vorstand des Unternehmens. Der Schachzug ergibt aus Sicht der Schwaben Sinn, denn die Asiaten sind laut Mercedes das erste Batterieunternehmen der Welt, das Festkörper-Lithium-Keramik-Batterien in Serie produziert. Der Plan sieht vor, dass ProLogium bis Ende dieses Jahres eine Gigawatt-Fabrik in der Nähe von Taipeh eröffnet und die ersten Festkörperakkus könnten schon in den nächsten Jahren in Prototypen mit dem Stern auf der Motorhaube getestet werden.
GM investiert Milliarden für neue Batterietechnik
Die Zeiten, zu denen sich GM das Treiben der anderen genüsslich angeschaut und auf die Stärke im heimischen Markt vertraut, sind vorbei. Die US-Amerikaner greifen auch bei den Feststoffbatterien an. GM-Chefin Mary Barra nimmt rund sieben Milliarden Dollar in die Hand, um eine Zuliefererkette bei den Batterien aufzubauen, dazu zählen natürlich auch die Festkörperakkus. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Partnerschaft mit Posco Chemicals. Die Koreaner werden in Quebec eine Fabrik aus dem Boden stampfen, um die Rolle als Lieferant von kathodenaktiven Materialien für GMs Ultium-Zellen zu erfüllen.
Doch auch bei den Feststoffbatterien ist die Welt klein. Vor wenigen Wochen ist Posco Chemicals bei ProLogium eingestiegen. Es wird interessant sein zu sehen, wie sich die verschiedenen Interessen der OEMs unter einen Hut bringen lassen. Grundsätzlich verbindet Hyundai, Stellantis, GM und Mercedes das Ziel, die Technologie marktreif zu bekommen. Aber da hören die Gemeinsamkeiten schon auf. Wenn es um die eigenen Vorteile und das Geschäft geht, wird dieser Burgfrieden ins Wanken geraten und die Ellenbogen ausgefahren.
