Konkurrenz für Lithium-Akkus

Wann wird die Feststoffbatterie serienreif?

Von Manfred Lindinger
19.05.2022
, 09:29
Noch versorgen Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigen Elektrolyten die E-Autos mit Strom.
Leistungsfähiger und sicher, aber auch günstig? Eine aktuelle Fraunhofer-Studie lotet die Potentiale und Marktchancen des neuen Hoffnungsträgers für die E-Mobilität aus.
ANZEIGE

Noch bevor die Elektromobilität so richtig an Fahrt aufgenommen hat, suchen die Batterieentwickler bereits nach Ersatz für die Lithium-Ionen-Batterien, die die E-Autos mit Strom versorgen. Zwar sind die Lithium-Ionen-Akkus noch unerreicht, was Energiedichte (maximal 300 Wattstunden pro Kilogramm) und Stabilität betrifft. Doch bisweilen dauert es Stunden, bis ein Energiespeicher aufgeladen ist. Gewisse Bedenken bestehen noch bei der Sicherheit. Noch immer kommt es vor, dass Lithium-Ionen-Batterien aufgrund eines Kurzschlusses Feuer fangen oder explodieren. Zudem kann der flüssige Elektrolyt bei einem Unfall auslaufen und sich entzünden. Nachteile, die man mit einer neuen Generation von Lithiumbatterien auszuräumen hofft.

Leisten sollen das etwa wiederaufladbare Feststoffbatterien. Diese Akkutechnologie verspricht je nach Design schnellere Ladezeiten und höhere Energiedichten, also auch größere Reichweiten. Vor allem soll sie Elektroautos sicherer machen. Denn dieser Batterietyp verfügt über keinerlei flüssige Bestandteile. So besteht insbesondere der Elektrolyt, also das Medium, das die Lithium-Ionen leitet, aus einem schwer entflammbaren Feststoff. Einige Materialien erreichen bereits bei Raumtemperatur ähnlich hohe Leitfähigkeiten für Lithiumionen wie Flüssigelektrolyten.

ANZEIGE

Eine aktuelle Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe hat die Potentiale und Marktchancen von Feststoffakkus beleuchtet, aber auch die Hürden untersucht, die es noch zu überwinden gilt, damit dieser Batterietyp mit den klassischen Lithium-Ionen-Batterien konkurrieren kann. „Wir haben 223 Quellen ausgewertet, darunter Fachpublikationen, Konferenzbeiträge und Internetseiten. Zusätzlich ist zum Teil noch nicht publiziertes Wissen deutscher und internationaler Experten eingeflossen“, sagt Thomas Schmaltz vom ISI, der die Arbeiten zur Studie koordiniert hat.

Markteintritt frühestens 2025

Als am vielversprechendsten gelten feste Elektrolyten aus ionenleitenden Kunststoffen sowie oxidische oder sulfidische anorganische Keramiken. Zwar fahren bereits einige E-Busse mit Feststoffbatterien auf Polymerbasis. Mit dem Markteintritt für Stromspeicher mit anorganischen oxidischen und sulfidischen Elek­trolyten rechnet man aber frühestens 2025. Ein Grund: Die keramischen Elek­trolyten sind deutlich schwieriger auf großen Skalen herzustellen. So benötigt man zur Fertigung kompakter Oxid-Elektrolyten Sinterprozesse, die hohe Temperaturen erfordern – ein Novum in der Batteriezellfertigung. Hinzu kommt, dass oxidische Keramiken spröde und damit schwer zu verarbeiten sind. Sulfid-Elektrolyten sind elastischer und formbarer. „Allerdings sind bei sulfidbasierten Feststoffbatterien die Materialien noch gar nicht in einem Maßstab verfügbar, wie es für die Massenfertigung erforderlich wäre“, sagt Schmaltz.

ANZEIGE

Für die beiden Elektroden kommen im Prinzip all jene Materialien infrage, die auch in klassischen Lithium-Ionen-Batterien genutzt werden: für die Anode Graphit und für die Kathode nickelreiche Lithium-Kobalt-Oxide oder Lithiumeisenphosphat. Verbindungen, in die sich große Mengen an Lithiumionen einlagern lassen.

Klassische Lithium-Ionen-Batterie (links) und Lithium-Feststoffbatterie  im Vergleich
Klassische Lithium-Ionen-Batterie (links) und Lithium-Feststoffbatterie im Vergleich Bild: BMW

Doch Feststoffbatterien entwickeln ihr ganzes Potential erst, wenn man für die Anode metallisches Lithium verwendet. Ein solcher Akku besitzt eine höhere Energiedichte als das klassische Pendant mit einer Graphit-Anode. In metallischer Form ist das Alkalimetall allerdings äu­ßerst reaktiv und als Elektrodenmaterial deshalb schwer zu handhaben. Bislang haben sich Akkus, die man mit einer Lithium-Anode ausgestattet hatte, als nicht sehr stabil erwiesen. Beim Aufladen kann es an der Anode zu Dendritenbildung kommen, die, bei Kontakt mit der gegenüberliegenden Kathode, zum Kurzschluss führen können.

ANZEIGE

Welches Design wird das Rennen machen?

Deshalb favorisieren einige Batterieentwickler als Elektrodenmaterial Silizium. Dieser Halbleiter kann deutlich mehr Lithium einlagern als Graphit. Allerdings bläht sich die Silizium-Anode im Betrieb auf, was sich mit äußerem Druck kompensieren lässt. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit einer Batterie ist neben einer hohen Energiedichte und einer guten Leitfähigkeit für Lithiumionen, dass der elektrische Widerstand an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt möglichst gering ausfällt – „eine Aufgabe, die auf der Materialebene und auf der Ebene der Herstellungsprozesse gelöst werden muss“, sagt Schmaltz.

Laut Studie wird eine Pilotproduktion von Feststoffbatterien mit Siliziumanode und Sulfid-Elektrolyten im Pouchzellenformat bis etwa 2025 erwartet. Länger wird das wohl bei Akkus mit Lithium-Metall-Anoden und oxidischen Membranen dauern. Von 2028 an könnten Stromspeicher mit metallischem Lithium und Sulfid-Elek­trolyten nachziehen.

Welche Materialkombination letztlich das Rennen macht, ist derzeit noch offen. Den kommerziellen Durchbruch würden Feststoff-Akkus nur dann erzielen, wenn eindeutig klar ist, dass sie mit den Lithium-Ionen-Batterien konkurrieren können, ist Schmaltz überzeugt. Dazu gehören auch die Kosten. Sind diese höher, wird die Etablierung im Massenmarkt schwierig werden. Kurz und mittelfristig rechnen die Studienautoren mit höheren Preisen. Wie sich die Kosten langfristig entwickeln, lässt sich noch nicht sagen. „Deshalb rechnen wir kurz und mittelfristig mit einem Einsatz der Feststoffbatterien im Premiumbereich“, sagt Schmaltz.

Für den Werkstoffwissenschaftler ist eine starke private und öffentliche Förderung jenseits der reinen Forschungsförderung unabdingbar, damit europäische Entwickler mit asiatischen und amerikanischen Akteuren mithalten können. Hier seien insbesondere auch deutsche Automobilhersteller gefragt.

Quelle: F.A.Z
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot
Zertifikate
Weiterbildung in der Organisationspsychologie
Sprachkurse
Lernen Sie Italienisch
Englisch
Verbessern Sie Ihr Englisch
ANZEIGE