Festkörperbatterien gelten schon seit längerer Zeit als die nächste wichtige Energiespeicherlösung der Zukunft. Jedoch stehen Forscher bei der Produktion und Entwicklung vor einigen Herausforderungen. Festkörperbatterien haben einen festen und keinen liquiden Elektrolyten, wie es bei Lithium-Ionen-Batterien der Fall ist. Zentrale Vorteile der Batterietechnologie sind ihre Sicherheit durch ein geringeres Brandrisiko und ihre hohe Energiedichte, die eine bessere Reichweite für elektrische Fahrzeuge bietet. NIO, der chinesische Elektroautobauer, hat Ende 2023 die erste serienreife Semi-Solid-State-Batterie (SSB) präsentiert.
NIO präsentiert erste Semi-Solid-State-Batterie im Jahr 2023
Festkörperbatterien sind Batterien mit einem Festkörperelektrolyt, wobei es sich nicht um einen grundlegend neuen Typus von Batterien, sondern um eine Variante des Lithium-Ionen-Akkus handelt. Festkörperelektrolyte sollen die Ionenleitfähigkeit in einem nicht flüssigen Feststoff bereitstellen.
Die erste serienreife Semi-Solid-State-Batterie (SSB) von NIO hat eine Leistung von 150 kWh und eine Energiedichte von 360 Wh/kg, was rund ein Drittel mehr als die besten bisherigen Akkus ist. Allerdings ist die innovative Batterie aktuell noch sehr teuer; die Herstellungskosten für das Akkupack beträgt rund 42.000 US-Dollar. Dies entspricht einem Zellpreis von rund 180 US-Dollar pro kWh und ist etwa doppelt so viel wie für herkömmliche Batteriezellen.
Vorteile der Festkörperbatterien
Die Festkörperbatterien bieten einige Vorteile, haben aber auch Nachteile. Zu den Vorzügen zählen vor allem ihre Robustheit, ihre lange Lebensdauer bei einer großen Zahl von Lade-/Entladezyklen sowie ihre hohe Lagerfähigkeit. Zudem ist auch die Sicherheit wesentlich höher, was ein wichtiger Aspekt ist, der für diese Technologie spricht. Andes als flüssige Elektrolyte sind die Festkörper kaum entflammbar und verursachen keine Kurzschlüsse, da sie keine Dendriten bilden können. Die prototypischen Festkörperakkus würden heutzutage schon eine Energiedichte von über 400 Wh/kg erreichen; es seien sogar 500 Wh/kg und mehr realisierbar.
Nachteile der Festkörperbatterien
Allerdings stehen Forscher noch vor einigen Herausforderungen, denn die geringere Ionenleitfähigkeit der Akkus und ihre hohen Herstellungskosten stellen Nachteile dar. Insbesondere der Übergang der Festkörper-Festkörper-Grenzflächen mache weiterhin Probleme, da hohe Ströme nur schlecht übertragbar sind. Außerdem sei auch die Ionenleitfähigkeit der meisten Glas-Keramik-Elektrolyten noch zu gering für einen Serieneinsatz. Man nimmt an, dass es eine Lösung sein könnte, den Elektrolyten als pastöse Masse aufzutragen, die dann erst nach der Fertigung der Zelle aushärtet.
Innovative Herstellungsverfahren sind schwierig
Ebenso betont eine aktuelle Konsortialstudie des Lehrstuhls „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen, dass innovative Herstellungsmethoden neuartiger Festkörperbatterien vor Herausforderungen stehen. Zwar seien die wichtigsten Materialfragen geklärt, dennoch wird nun die Notwendigkeit innovativer Herstellungsverfahren und ihrer Skalierbarkeit diskutiert. Denn bis zu 60% des aktuellen Produktionslayouts für Lithium-Batterien müssen möglicherweise erheblich geändert werden.
Produzierbarkeit als Hürde für die Kommerzialisierung
Die Produzierbarkeit stellt eine Hürde für die Kommerzialisierung dar, denn Studien zeigen, das es Herausforderungen in der Produktionskette gibt. Demnach seien neuartige Verarbeitungsmethoden zur Herstellung dünner und dichter Schichten für Festkörperelektrolyte und Lithium-Metall notwendig. Zudem müsse geprüft werden, inwiefern Trockenbeschichtungsansätze aus der aktuellen Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien auch auf die Fertigung von Festkörperelektrolyten übertragbar sind.
Ferner müsse man auch Wärmebehandlungsschritte vor allem für keramikbasierte Festkörperelektrolyte optimieren, und bei Elektrodenstapeln müsse für Grenzflächen mit geringem Widerstand für eine optimale Ionenleitung der Festkörper gesorgt werden. Überdies seien auch maßgeschneiderte Produktionsprozesse für neue Hybridzellenformate notwendig, die Pouch- mit prismatischen Designs kombinieren.
Europa und Asien verfolgen unterschiedliche Ansätze
Laut der Konsortialstudie entstehen momentan weltweit Partnerschaften zur Kommerzialisierung von Festkörperbatterien. Allerdings verfolgen diese Partnerschaften unterschiedliche Ansätze: In Europa und den USA fokussiert man sich hauptsächlich auf Polymer- und Hybrid-Elektrolytsysteme und in Asien liegt der Fokus auf sulfidbasierten Systemen.
Viele Hersteller und Forschungsprojekte sind an der Entwicklung von Festkörperbatterien beteiligt. Einige Automobilhersteller haben sogar die Einführung von Festkörperbatterien in den nächsten Jahren angekündigt. So möchte vor allem Nissan 2028 ein Elektrofahrzeug mit selbst entwickelten Feststoffbatterien auf den Markt bringen. Gefolgt ist dieses Vorhaben vom Konkurrenten Toyota, der die Kommerzialisierung der Technologie bis 2027/2028 vorantreiben will.
Anfangs nur für Luxusfahrzeuge
Bis 2035 könnte es bereits soweit sein, dass Festkörperbatterien mit einer Gesamtleistung von 1.200 GWh einen wichtigen Anteil am globalen Batteriemarkt ausmachen. Das Umsatzpotenzial liegt dann bei 550 Milliarden Euro. Obwohl Automobilhersteller und Forschungsprojekte die Kommerzialisierung der Technologie vorantreiben ist anzunehmen, dass nicht alle davon profitieren werden. Denn anfangs werden nur wenige Verbraucher und Unternehmen von dieser innovativen Technologie profitieren. Aufgrund der hohen Herstellungskosten ist es wahrscheinlich, dass man die Batterien in der Anfangsphase nur in Luxusfahrzeugen verbaut.
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Bildquelle: sixsixfive via Openclipart