Feststoffbatterien: Ist das die Zukunft der Elektromobilität?

Die Batterietechnologie spielt sowohl eine entscheidende Rolle bei der Elektrifizierung des Verkehrs als auch bei der Energiewende z. B. als Stromspeicher für erneuerbare Energien. Die derzeit führende Technologie von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) wird kontinuierlich weiterentwickelt, aber stößt laut Forschungsinstituten wie dem Fraunhofer-Institut zunehmend an physikalische Grenzen.

Aktuell wird viel Forschung in die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien für E-Autos investiert, damit E-Mobilität weiterhin eine zukunftsfähige Technologie bleibt. Ziel ist es, den zwei immer wieder aufkommenden Kritikpunkten bei E-Autos entgegenzukommen: eine begrenzte Reichweite bei gleichzeitig langen Ladezeiten.

Als der nächste große Schritt gelten Feststoffbatterien, um die Elektromobilität zu neuen Höhen zu führen. Denn Feststoffbatterien versprechen als Akkus mit festen Elektrolyten deutlich bessere Reichweiten und kürzere Ladezeiten dank einer höheren Energiedichte.

Aber was genau unterscheidet Feststoffbatterien von herkömmlichen Batterien? Wann ist die neue Batterietechnologie verfügbar? Und wie teuer wird es? Auf unter anderem diese Fragen gehen wir im nachfolgenden Beitrag ein.

Was sind Feststoffbatterien?

Feststoffbatterien (engl. solid-state battery -SSB) versprechen den großen Durchbruch in der Batterietechnologie. Dieser Festkörperakku ist grundsätzlich auch eine Lithium-Ionen-Batterie, in dem Ionen zwischen Kathode und Anode wandern. Es handelt sich also um eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie. Aber der große Unterschied liegt darin, dass für den Ionen-Transport bei der Feststoffbatterie keine Flüssigkeit zum Einsatz kommt, sondern ein festes, elektrisch leitfähiges Material. Es handelt sich also um eine Lithium-Ionen-Batterie mit festen Elektrolyten.

Der flüssige Elektrolyt wird mit einem Feststoff-Elektrolyten ersetzt. Als Ersatz für die flüssige Lithium-Ionen-leitende Schicht kommen aktuell Keramiken oder Kunststoffe infrage. Außerdem ersetzt das neue Feststoffmaterial den ursprünglich flüssigen Separator zwischen den Kammern. Das heißt, Feststoffbatterien enthalten im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien keine brennbaren Flüssigkeiten mehr. Auch bei den Aktivmaterialien (den Anoden und Kathoden) kann es Unterschiede geben. Aktuell werden folgende Möglichkeiten erprobt:

• Anoden-Aktivmaterial
• Kathoden-Aktivmaterial
• Festelektrolyte

Eine alternative Möglichkeit, an der aktuell geforscht wird, ist, die flüssigen Bestandteile zumindest zum Teil zu ersetzen, sodass halbfeste Modelle entstehen. Detaillierte Informationen dazu finden sich in der vom Fraunhofer ISI veröffentlichten Studie "Solid-State Battery Roadmap 2035+".

Was unterscheidet Feststoffbatterien von den herkömmlichen Batterien?

Die gängige Technologie von Lithium-Ionen-Akkus wird aktuell bei vielen mobilen und stationären Lösungen eingesetzt, zum Beispiel auch in Elektroautos. Eine Lithium-Ionen-Batterie (LIB) ist ein elektrochemischer Speicher mit einem Elektrolyten, der die Lithium-Ionen leitet. Durch die Verbindung aus Lithium und Ionen ist die Batterie wiederaufladbar. Als Leitmittel für die Lithium-Ionen wird ein flüssiger Elektrolyt verwendet.

Der aktuell größte Kritikpunkt an dieser Batterietechnologie ist, dass der flüssige Elektrolyt anfällig für Feuer ist sowie für eine relativ niedrige Energiedichte sorgt. Nach 10 Jahren Betrieb im Elektroauto haben Lithium-Ionen-Batterien noch 70 bis 80 Prozent ihrer Kapazität, was nicht mehr für die Spitzenlasten im Fahrbetrieb ausreicht. Im Anschluss folgt die Nutzung im stationären Betrieb mit der restlichen Kapazität, bevor es schlussendlich zum Recycling von E-Auto-Batterien kommt.

Der Hauptunterschied zwischen Feststoffbatterien und herkömmlichen Batterien ist, dass Feststoffbatterien nicht auf flüssigen Elektrolyten basieren. Die Weiterentwicklung zum Feststoffakku ersetzt die flüssigen Elektrolyten sowie den (Polymermembran) Separator durch feste Stoffe wie Keramiken oder Kunststoffe.

Wo liegen die Vorteile der Feststoffbatterie für die Elektromobilität?

Wichtige Leistungsparameter von Batterien sind die Energiedichte, Sicherheit, Lebensdauer, Kosten und Schnellladefähigkeit. Feststoffbatterien haben durch feste Elektrolyten das Potenzial, klassische Lithium-Ionen-Akkus in puncto Energiedichte zu übertreffen. Schlüsselkomponente für Batteriesysteme der Zukunft ist der Einsatz von Lithium-Metall-Anoden, welche eine Maximierung der Energiedichte sowohl in Bezug auf das Zellvolumen als auch die Batteriemasse ermöglichen. Das lässt Feststoffbatterien deutlich kleiner und leichter werden, was sich positiv auf das Gesamtgewicht des E-Autos auswirkt. Ebenso verspricht eine erhöhte Energiedichte deutlich kürzere Ladezeiten und eine höhere Reichweite. So hat Toyota im Jahr 2023 zum ersten Mal eine Feststoffbatterie mit einer Reichweite von über 1000 Kilometern vorgestellt.

Ein weiterer positiver Faktor ist die extrem geringe Brandgefahr, weil keine brennbaren Flüssigkeiten im Spiel sind. Während der Lithium-Ionen-Akku so schnell und leicht brennt wie das chemisch verwandte Benzin, lässt sich das feste Gegenstück in der Feststoffbatterie beinahe nicht in Brand setzen. Damit gilt ihre Sicherheit selbst auf der Zellebene als hoch. Ein großer Sicherheitsvorteil!

Bei Massenproduktion versprechen Fahrzeughersteller sich und ihren Kunden außerdem niedrigere Preise für E-Autos. Denn noch ist die Batterie der größte Kostenpunkt beim Elektrofahrzeug. Vor allem, wenn eine hohe Reichweite gewünscht ist, kommt die Elektromobilität für den kleinen Geldbeutel aktuell noch an ihre Grenzen.

Tatsächlich sind Feststoffbatterien unter dem Namen Lithium-Polymer-Batterie bereits im Einsatz. Mercedes-Benz etwa setzt sie in seinem Linienbus eCitaro ein. Damit die Ionen leitfähig werden, muss das Material jedoch zunächst auf 70 bis 80 °C vorgeheizt werden. Für den morgendlich im Depot startenden Linienbus ist das kein Problem, für das E-Auto ist es jedoch eine ungeeignete Technologie.

Die Hersteller arbeiten an neuer Batterie-Technologie

Deshalb investieren immer mehr Automobilhersteller in die Forschung von alltagstauglichen Feststoffbatterien für E-Pkws. Laut dem Handelsblatt hat Volkswagen zuletzt einen Erfolg bei der Entwicklung verkündet: Der Feststoffkörper habe im VW-Labor in Salzgitter einen Langzeittest bestanden und mehr als 1000 Ladezyklen absolviert. Das führte zu einer Gesamtreichweite von rund 500.000 Kilometern. Die Feststoffbatteriezelle wurde zusammen mit dem US-Partner QuantumScape entwickelt und über mehrere Monate hinweg getestet.

Laut dem ADAC arbeitet Mercedes-Benz mit der taiwanesischen Firma ProLogium daran, Feststoffbatterien in ausgewählten Serienmodellen ab 2025 zum Einsatz zu bringen. Ford und BMW haben sich mit Solid Power, einem Spezialisten für Feststoffbatterien, zusammengetan, um noch in diesem Jahr erste Zellen für Qualifizierungstests einzusetzen. Eine Serienproduktion ist ab 2026 geplant.

In China fuhr der Nio ET7 des Automobilherstellers Nio mit einer 150-kWh-Festoffkörperbatterie über 1000 Kilometer ohne Ladestopp. Das entsprach beim Test 14 Stunden Fahrt ohne Ladepause. Die Durchschnittsgeschwindigkeit für die Fahrt betrug 83,9 Km/h, maximal wurden 90 km/h gefahren. Die Fahrgeschwindigkeit ist ein maßgeblicher Faktor, um die Lebensdauer eines Elektroauto-Akkus zu maximieren.

Volkswagen baut unterdessen bereits die erste eigene Batteriezellfabrik in Salzgitter. Ziel ist es, eine Feststoffbatteriezelle zu entwickeln, welche hohe Reichweiten ermöglicht, während sie superschnell geladen werden kann und praktisch nicht altert. Ein wichtiger Schritt, um Reichweitenangst Geschichte werden zu lassen!

Was werden Feststoffbatterien ändern?

Größtes Potenzial für die Weiterentwicklung und den Einsatz von Feststoffbatterien hat eindeutig der E-Automobilmarkt. Später dürfte der Einsatz in mobilen Endgeräten wie Laptops und Smartphones hinzukommen. Aktuell sind Kosten für Forschung und serienmäßige Umsetzung noch sehr hoch, weswegen Anwendungsbereiche wie bspw. als stationärer Speicher erst ab 2035 zu erwarten sind. Bis dahin werden einige Lithium-Ionen-basierte E-Autobatterien, die aktuell in Betrieb sind und das Ende ihrer Leistungsfähigkeit erreicht haben, in den Recycling-Zyklus von E-Autobatterien eintreten.

In der Geschichte der Elektromobilität markiert die Einführung der Feststoffbatterie einen wichtigen Schritt in Richtung nachhaltige Mobilität. Denn größere Reichweiten und längere Lebensdauer bedeuten auch einen gesunkenen Stromverbrauch sowie einen geringeren Rohstoffeinsatz für den Bau von E-Auto-Batterien. Die Weiterentwicklung von E-Auto-Akkus ist eindeutig der nächste Schritt für die Zukunft der Elektromobilität.