Feststoffbatterie

Neuer Hoffnungsträger für die E-Moblität?

Von Manfred Lindinger
09.09.2021
, 15:00
Laut Kraftfahrt-Bundesamt fahren 2021 fahren mehr als 365.000 E-Autos auf Deutschlands Straßen.
Leicht, sicher, günstig und leistungsfähig – die Anforderungen an zukunftsfähige Akkus sind vielfältig. Batterieforscher setzen verstärkt auf den Feststoffakku.
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Der Elektroantrieb wird den Verbrennungsmotor über kurz oder lang ablösen, das ist – zumindest auf politischer Ebene – beschlossene Sache. Schon von 2035 an könnte es ein europaweites Neuzulassungsverbot für Benzin- und Dieselfahrzeuge geben. Doch ob sich der Elektromotor im Straßenverkehr tatsächlich so schnell durchsetzt, wie es sich Politiker und Energieexperten wünschen, ist fraglich. Denn mehrere Umstände halten viele Autofahrer noch vom Umstieg auf batteriebetriebene PKWs ab. Da wären die im Vergleich zu einem Verbrenner geringen Reichweiten von im Schnitt 350 Kilometern und die nach wie vor zu langen Ladezeiten. Ein weiterer Hinderungsgrund dürften neben dem derzeit hohen Preis der Akkus, auch Sicherheitsbedenken sein. Denn noch immer kommt es vor, dass Lithium-Ionen-Batterien brennen oder gar explodieren. Zudem kann der flüssige Elektrolyt bei einem Unfall auslaufen und sich entzünden. Nachteile, die man hofft, mit einer neuen Generation von Lithiumbatterien ausräumen zu können.

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Viele Autohersteller, darunter VW und BMW, die ihre Produktionslinien bereits auf Elektrofahrzeuge umstellen, setzen große Hoffnung auf wiederaufladbare Feststoffbatterien. Diese Akkutechnologie verspricht je nach Design schnellere Ladezeiten und größere Reichweiten, vor allem soll sie Elektroautos sicherer machen. Denn dieser Batterietyp hat keine flüssigen entzündlichen Bestandteile mehr. So besteht insbesondere der Elektrolyt, also das Medium, das die Lithium-Ionen leitet, aus einem schwer entflammbaren Feststoff. „Das können Ionen-leitende Kunststoffe, oxidische oder sulfidische anorganische Keramiken oder glasartige Festkörper sein“, sagt Holger Althues vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Der Batterieexperte, der die Abteilung für chemische Oberflächen und Batterietechnik leitet, will mit Kollegen anderer Institute der Feststoffbatterie zum Durchbruch verhelfen. Er favorisiert wie viele Forscher hierzulande sulfidische Feststoffelektrolyte – etwa kristallines Lithiumthiophosphat – wegen ihrer hohen Leitfähigkeit für Lithium-Ionen und ihrer vorteilhaften Verarbeitbarkeit.

Schwefel mit seiner hohen Speicherkapazität und geringen Materialkosten soll als Kathodenmaterial für Feststoffbatterien dienen.
Schwefel mit seiner hohen Speicherkapazität und geringen Materialkosten soll als Kathodenmaterial für Feststoffbatterien dienen. Bild: Fraunhofer IWS

Die Leitfähigkeit von sulfidischen Feststoffelektrolyten ist mittlerweile vergleichbar mit jener von Elektrolyten auf der Basis flüssiger Salze, gleichwohl die Lithium-Ionen sich hier nicht so frei bewegen können. Die Ionen wandern durch ein starres Kristallgitter, wobei sie immer wieder Korngrenzen überwinden müssen. Schließlich ist der Elektrolyt kein homogener, massiver Einkristall, sondern setzt sich aus winzigen, unterschiedlich ausgerichteten Kristalliten, sogenannten Körnern, zusammen. Bei der Herstellung von sulfidischen Elektrolyten werden bei milden Temperaturen und hohem Druck (bei oxidischen Elektrolyten bei hohen Temperaturen) die losen Körnchen zusammengebacken, damit die Lithium-Ionen ohne größere Widerstand durch das Material wandern können.

Für die beiden Elektroden kommen für Feststoffbatterien im Prinzip all jene Materialien in Frage, die auch in klassischen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden: für die Anode Graphit und für die Kathode beispielsweise ein Kobalt-Nickel-Oxid, in das sich große Mengen an Lithiumionen einlagern lassen. Die Forscher vom IWS wollen aber gänzlich auf teure Materialien und kritische Metalle wie Kobalt und Nickel verzichten. Sie setzen auf Kathodenseite deshalb auf Schwefel. „Das Material ist günstig, leicht und kann große Mengen an Lithium aufnehmen“, nennt Althues die Vorteile von Schwefel, das als Abfallprodukt der chemischen Industrie ungenutzt in großen Mengen anfällt. Beim Entladen der Batterie reagieren die von der Anode kommenden Lithium-Ionen mit dem Schwefel der Kathode zu Lithiumsulfid. Beim Laden kehrt sich der Prozess um. Die mit den Volumenänderungen verbundenen Risse und Brüche in der Schwefelkathode kann man durch geeignete Kohlenstoffmaterialien in den Griff bekommen, so Althues.

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Dendritenwachstum trotz Feststoffelektrolyt

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 Lithium-Ionen-Batterien, die man mit einer Lithium-Anode ausgestattet hatte, als nicht sehr stabil erwiesen. Lithium reagiert elektrochemisch mit dem flüssigen Elektrolyten.

Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie (links) und einer Feststoffbatterie
Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie (links) und einer Feststoffbatterie Bild: BMW

So wachsen beim Ladevorgang bisweilen nadelförmige Lithiumkristalle, sogenannte Dendrite, auf der Elektrodenoberfläche. Das kann insbesondere in Kom­bination mit einem flüssigen Elek­trolyten zum Problem werden. Denn werden die Lithiumkristalle zu lang, können sie bei Kontakt mit der Kathode einen Kurzschluss auslösen. Ein flüssiger Elektrolyt kann sich dadurch entzünden und zur Explosion des Akkus führen. Dieses Risiko ist bei einem Feststoffelektrolyten geringer. Doch auch hier lässt sich die Dendritenbildung nicht ganz verhindern. „Wir hatten gehofft, dass dieses Problem mit einem Feststoffelektrolyten gelöst sei, doch Beobachtungen haben uns eines Besseren gelehrt,“ sagt Althues. Über die Ursache des Dendritenwachstums in Feststoffbatterien rätseln Batterieforscher nach wie vor.

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Die tentakelförmigen Gebilde drücken auf den Elektrolyten und wachsen entlang der Poren und Korngrenzen der Festkörper-Elektrolytschicht in Richtung der negativen Elektrode. „Mit einem äußeren Druck auf die Anode und durch Erhitzen der Zelle beim Ladevorgang auf sechzig Grad können wir die Dendritenbildung unterdrücken.“ Ohne diese Maßnahmen würde sich das von der Kathode kommende Lithium nicht gleichmäßig auf der Anoden-Oberfläche ablagern. Es entstünden Unebenheiten, an denen das Lithium unkontrolliert wachsen kann. „Die Batterie wird dadurch nach wenigen Zyklen unbrauchbar.“

Um mehr Licht in die Dendritenbildung zu bringen, untersuchen Batterieforscher mittlerweile mit hochauflösenden Instrumenten die Vorgänge auf mikroskopischer Ebene in den Festkörperelektrolyten. So haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts, vom Forschungszentrum Jülich und von der TU München kürzlich bei einem oxidischen Elektrolytmaterial entdeckt, dass dünne Schmelzschichten, die die Körner umgeben, das Wachstum von Dendriten hemmen können . Christoph Scheuer und seine Kollegen empfehlen diesen Effekt beim Design von Elektrolyten und stabilerer Feststoffbatterien stärker zu berücksichtigen.

Überblick zeit- und technologiespezifischer Batteriekostenvorhersagen bis 2050
Überblick zeit- und technologiespezifischer Batteriekostenvorhersagen bis 2050 Bild: Mauler et al. (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)

Die Wissenschaftler aus Dresden profitieren bei ihren Forschungen von früheren Arbeiten, bei denen sie Lithium-Schwefel-Batteriezellen mit flüssigen Elektrolyten gebaut haben. „Unsere Labor-Prototypen im Pouchzellenformat aus den vergangenen Jahren haben bereits Energiedichten bis zu 450 Wattstunden pro Kilogramm erreicht“, sagt Althues. Das ist fast doppelt so hoch wie bei einer normalen Lithium-Ionen-Zelle und mit klassischer Lithium-Ionen-Technik nicht erreichbar. Das geringe Gewicht der Lithium-Schwefel-Batterie ist ein großer Vorteil für viele mobile Anwendungen, jedoch müssen für den Einsatz in Elektrofahrzeugen Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Batterien weiter erhöht werden. Ähnliche hohe Energiedichten erwarten die Forscher auch für ihren Feststoffakku. Er soll aber durch den Einsatz der Festelektrolyte deutlich stabiler werden. Für Anwendungen in der Elektromobilität sind mehr als 1000 Lade- und Entlade-Zyklen Voraussetzung. „Wir sehen, dass diese Feststoffbatterie sehr viel leichter ist und perspektivisch ähnlich kompakt gebaut werden kann, wie die heutigen Lithium-Ionen Zellen“, sagt Althues.

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Die Batteriekosten fallen weiter

Noch forschen die Wissenschaftler an einlagigen elektrochemischen Zellen im Kleinformat. Bis zu einem ersten Prototypen im Format einer mehrlagigen Pouchzelle, an dem man testen kann, ob der Batterietyp tatsächlich die erhofften Eigenschaften und Vorteile besitzt, ist noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten. Alles was auf kleinen Skalen funktioniere, müsse sich auch erst im großen Maßstab als funktionsfähig erweisen. Vor allem müsse der Aufbau der Batteriezelle optimiert werden. In dem vom Forschungsministerium geförderten Projekt „SoLiS“, an dem neben dem IWS, die TU Dresden, die Universitäten in Münster und Gießen sowie das Unternehmen „Schunk Kohlenstofftechnik“ beteiligt sind, will man einen solchen Prototypen bauen. Wann die Feststoff-Batterien Marktreife erreichen könnte, darüber gibt sich Althues bedeckt. Es gebe neben den elektrochemischen Herausforderungen noch viele Hürden zu meistern: jede Komponente muss in großem Maßstab produziert werden, Kosten müssen reduziert und Lieferketten müssen sichergestellt werden. Die großen Automobilhersteller rechnen mit marktfähigen Systemen auf Basis von Festkörperbatterien in fünf bis zehn Jahren.

Anwendungen sieht der Chemiker für den Lithium-Schwefel-Akku außer bei Elektrofahrzeugen, noch überall dort, wo es auf ein geringes Gewicht ankommt, also bei Drohnen, Lufttaxis und Flugzeugen. Ein weiterer Vorteil: Auch das Recycling alter Lithium-Schwefel-Akkus dürfte weniger Aufwand erfordern als die Wiederaufbereitung von Lithium-Ionen-Zellen mit ihren Metalloxid-Elektroden.

Althues nennt noch einen wichtigen Faktor, der in den kommenden Jahren immer wichtiger sein wird, und das sind die Kosten einer Batterie. In der letzten Zeit sei immer deutlich geworden, dass Batterien nicht immer unbedingt leistungsfähiger werden müssen, man will vor allem günstige Batterien herstellen. Deshalb beginne man, Materialien einzusetzen, die nicht auf jeden Fall eine höhere Energiedichte aufweisen, aber dafür günstiger sind. Auch hier könnte die Lithium-Schwefel-Feststoff-Batterie zukünftig punkten, ist Althues überzeugt.

Einen Abwärtstrend in den Batteriekosten, sehen auch Forscher aus Münster, die 53 Publikationen analysiert haben, die sich mit den Kosten verschiedener Batterietypen beschäftigt haben . Während im Jahr 2010 der Preis für die Energiespeicher noch bei etwa 1000 Dollar pro Kilowattstunde (kWh) lag, beträgt er heute noch etwa ein Viertel davon. Für das Jahr 2030 prognostizieren Lukas Mauler und seine Kollegen 130 und für 2050 sogar nur etwa 70 Dollar pro kWh. Neben den Batterietechnologien sind in die Prognosen Produktionsprozesse, Fabrikationsstandorte und Szenarien der Rohstoffpreisentwicklung eingeflossen.

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“.
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