Feststoffbatterien: Aktueller Entwicklungsstand

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Noch dominieren Lithium-Ionen-Batterien den Markt, doch sie erreichen in absehbarer Zeit ihre technischen Grenzen. Ein Nachfolger könnten Feststoffbatterien sein. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI hat die Potentiale und Hürden der Technologie in einer Roadmap zusammengefasst.

Marktreife Feststoffbatterien in den nächsten Jahren möglich

Während Lithium-Ionen-Batterien auf flüssigen Elektrolyten basieren, nutzen Feststoffbatterien feste Elektrolyte. Sie versprechen eine deutlich höhere Leistung und mehr Sicherheit, sind aber noch in der Entwicklung. Sie könnten in den nächsten Jahren marktreif werden, wenn bestimmte Verbesserungen erreicht werden.

Bei der Entwicklung von Festkörperbatterien werden verschiedene Designs erprobt, die alle ihre Vor- und Nachteile haben. Eine Pilotproduktion der verschiedenen Varianten könnte ab 2025 starten. Welches Design sich am Ende durchsetzt, ist noch nicht abzusehen.

Die vielversprechendsten Materialien für Feststoffakkus

Bei den Anodenmaterialien sind Lithium (Li) und Silizium (Si) am vielversprechendsten. Die besten Energiedichten versprechen Lithium-Metall-Anoden, doch die Verarbeitungstechnologien sind noch nicht für die Großserie etabliert. Siliziumanoden wiederum erreichen bei Feststoffbatterien nur geringere Energiedichten.

Für die Anodenaktivmaterialien sind nickelreiche Schichtoxide (NMC, NCA) eine Option, außerdem Lithiumeisenphosphat (LFP) und langfristig eventuell Schwefel oder Hochvoltmaterialien. Die höchsten Energiedichten für Feststoffbatterien versprechen NMC/NCA-Schichtoxide. LFP dagegen ist wegen der niedrigeren Kosten und der höheren Stabilität interessant.

Die wichtigste Komponente von Feststoffbatterien ist der Festelektrolyt, wo es derzeit drei interessante Gruppen gibt: Oxid-Elektrolyte, Sulfid-Elektrolyte und Polymer-Elektrolyte. Oxid-Elektrolyte haben zwar eine hohe mechanische und chemische Stabilität, doch sie erfordern in der Herstellung Sinterprozesse bei hohen Temperaturen. Das gab es bisher in der Batteriezellfertigung nicht. Außerdem sind Oxid-Elektrolyte spröde und weisen eine vergleichsweise schlechte ionische Leitfähigkeit auf.

Sulfid-Elektrolyte sind dagegen weicher und formbarer und deshalb leichter zu verarbeiten. Ihr Nachteil ist wiederum, dass sie nicht in ausreichender Menge verfügbar sind und ihre chemische Kompatibilität mit Lithium-Metall und Hochvolt-CAM (Kathodenaktivmaterialien) begrenzt ist.

Am etabliertesten sind Polymer-Elektrolyte, auch was die Materialverfügbarkeit und Produktionstechnologie angeht. Hindernisse für eine breite kommerzielle Verwendung sind eine begrenzte ionische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur, die schlechte chemische Kompatibilität mit Hochvolt-CAM und eine niedrige Grenzstromdichte aufgrund des Ionenleitmechanismus.

Die vier besten Zellkonzepte

Die Roadmap des Fraunhofer ISI hat vier vielversprechende Zellkonzepte im Detail untersucht: Lithium-Metall-Anoden und Schichtoxid-Kathoden mit Oxid- bzw. mit Sulfid-Festelektrolyt, Silizium-Anode und Schichtoxid-Kathode mit einem Sulfid-Festelektrolyt und Lithium-Anode und LFP-Kathode mit einem Polymer-Festelektolyt.

Experten rechnen etwa 2025 mit einer Erweiterung der Pilotproduktion von polymerbasierten Feststoffbatterien. Ebenfalls 2025 könnte eine erste Pilotproduktion von Festkörperzellen mit Silizium-Anode und sulfidbasiertem Festelektrolyt sowie von Zellen mit Lithium-Metall-Anode und Oxid-Elektrolyt starten. Ab 2028 könnten Batterien mit Sulfid-basiertem Elektrolyt und Lithium-Metall-Anode nachziehen.

Kommerzieller Durchbruch nur mit weiteren Verbesserungen

Für eine breite Marktimplementierung muss die chemische Kompatibilität zwischen den Festelektrolyten und den Aktivmaterialien verbessert werden, insbesondere bei den Lithiumanoden und Hochvoltkathoden.

Für einen kommerziellen Durchbruch müssten Feststoffakkus zudem nicht nur technisch, sondern auch bei den Kosten mit Lithium-Ionen-Batterien konkurrieren können. Kurz- und mittelfristig dürften Festkörperbatterien teurer sein. Das Fraunhofer erwartet deshalb, dass die Technologie zunächst im Premiumbereich eingesetzt wird.

Das Fraunhofer ISI für seine „Solid-State Battery Roadmap 2035+“ Fachpublikationen, Konferenzbeiträge und Internetseiten ausgewertet und hat teils noch nicht publiziertes Wissen deutscher und internationaler Experten mit einbezogen.

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