Wann ist der Feststoffakku endlich serienreif?

Feststoffakkus gelten als die Batterietechnologie der Zukunft, denn sie bieten mehr Sicherheit und Reichweite sowie kürzere Ladezeiten für Elektroautos. Jedoch sorgt ein Hindernis für die Verzögerung der Serienreife: Die Lebensdauer der Festkörperakkus ist nicht zufriedenstellend. Somit scheint es noch ein weiter Weg bis zur Serienreife, denn selbst bei BYD sind die Experten überzeugt, dass der Gamechanger erst Ende des Jahrzehnts für die Kommerzialisierung bereit ist. Neuste Forschungsergebnisse zeigen, warum viele Festkörperbatterien noch vorzeitig ausfallen. Bei der mechanischen Ermüdung der Lithium-Metall-Anode entstehen strukturelle Defekte, welche die Sicherheit und Lebensdauer beeinträchtigen können.

Problematik der Festkörperakkus

Anders als bei Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten setzen Festkörperakkus auf einen soliden Elektrolyten, der den Transport der Ionen zwischen der Anode und der Kathode übernimmt. Somit geht von einem Solid State-Super-Akku ein deutlich geringeres Brandrisiko aus. Zudem ist er kompakter und preiswerter, vor allem aber leistungsfähiger. Der wohl größte Vorteil ist jedoch, dass sie eine wesentlich höhere Energiedichte haben.

Schwachstelle ist jedoch die mechanische Ermüdung der Lithium-Metall-Anode, durch die strukturelle Defekte entstehen, welche die Sicherheit und Lebensdauer beeinträchtigen. Im Fokus stehen die Grenzflächen zwischen der Anode und dem festen Elektrolyten, die einen kritischen Bereich in der Zelle darstellen. Man stellte fest, dass beim wiederholten Be- und Entladen mechanische Spannungen entstehen, welche Mikroverformungen und Risse hervorrufen. Diese fördern die Entstehung von sogenannten Dendriten – feine, nadelartige Metallstrukturen, welche Kurzschlüsse auslösen.

Hoffnungsträger, der auf den Durchbruch wartet

Die Forschungsergebnisse bieten zwar keine revolutionären, neuen Erkenntnisse, dennoch sind sie wichtig. Prof. Jürgen Janek, geschäftsführender Direktor des Physikalisch-Chemischen Instituts der Universität Gießen und Koordinator des BMBF-Kompetenzclusters für Festkörperbatterien, erklärt:

„Der Wert der vorliegenden Arbeit liegt darin, dass die Autoren einen bisher wenig untersuchten Mechanismus der Kopplung von mechanischer Verformung und elektrochemischen Eigenschaften untersuchen und hierzu sehr schöne Ergebnisse zeigen. Sie ist nicht als ‚sensationell‘ zu betrachten, sondern eher als eine sehr solide wissenschaftliche Arbeit mit wichtigen Ergebnissen zu den tiefgehenden Details der Lithium-Metall-Anode.“

Prof. Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), sieht es ähnlich wie Dr. Prof. Jürgen Janek.

„Die Studie untersucht nur einen kleinen Teil einer Festkörperbatterie: die metallische Anode und hier auch überwiegend nur den Grenzbereich zum Festelektrolyten. Dendritenbildung ist einer der wichtigsten Versagensmechanismen in Festkörperbatterien mit metallischen negativen Elektroden. Resultierende Kurzschlüsse sind auch eine der größten Sicherheitsrisiken. Insofern adressiert diese Publikation hochrelevante Beiträge zur Ermüdung und dem Versagen von Batterien.“

Weg zur Kommerzialisierung mit Hürden

Die Festkörperakkutechnologie bietet viel Potenzial, jedoch ist der Weg zur Serienreife mit Hürden versehen. Auch Prof. Helmut Ehrenberg weist darauf hin, dass die Festkörpertechnologie noch längst nicht so weit ist:

„Erst wenn die Herausforderungen bei Lebensdauer, Sicherheit, Schnellladefähigkeit und Produktionskosten überwunden sind, wird sich zeigen, ob sich Festkörperbatterien gegenüber den konventionellen Lithium-Ionen-Batterien durchsetzen können. Das kann noch einige Jahre dauern – wenn überhaupt.“

Heutige Elektroautos sind überwiegend mit Lithium-Ionen-Akkus mit NMC- oder LFP-Chemie ausgestattet, doch Festkörperbatterien könnten langfristig betrachtet mehr Leistung bringen. Man spricht hier von einer Leistungsdichte von knapp 400 Wattstunden (Wh) pro Kilogramm. Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus auf Basis einer Nickel-Mangan-Kobalt-(NMC)-Chemie kommen nur auf 230 bis 250 Wh/kg. Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Akkus erzielen demgegenüber aktuell 130 bis 160 Wh/kg. Die Festkörperakkus würden es ermöglichen, dass E-Autos mit relativ kleinen Akkus 1.000 Kilometer ohne Ladepause fahren können.

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