Festkörperbatterien revolutionieren Akkuentwicklung?- Unterschiede zu Lithium-Ionen-Akkus & Potenzial erkunden: Zukunft Festkörperbatterie?

Wenn von der Zukunft der Traktionsbatterie in Elektroautos gesprochen wird, fallen immer wieder die Begriffe Festkörperbatterie oder Feststoffbatterie, beides Synonyme für dieselbe Technik. Besitzt sie das Potenzial, die Akkuentwicklung zu revolutionieren? Dieser Frage wollen wir im Folgenden nachgehen.

Worin unterscheiden sich Festkörperbatterien nun von herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus? Diese Frage steht logischerweise am Anfang dieses Beitrags. Die Antwort ist in der Beschaffenheit ihres Elektrolyts zu suchen. Normalerweise befinden sich zwischen den beiden Elektroden der Batterie – dem Pluspol, der Kathode, und dem Minuspol, der Anode – ein flüssiges Elektrolyt und ein Separator. In der Festkörperbatterie dagegen ist das flüssige Elektrolyt durch ein festes Material ersetzt. Dies bietet vom theoretischen Standpunkt aus gesehen eine Reihe von Vorteilen.

So lässt sich nicht nur der Einsatz des relativ knappen und umstrittenen Materials Kobalt gegen Null reduzieren, das in klassischen Lithium-Ionen-Batterien für die Temperaturfestigkeit sorgt. Gleichzeitig ist festes Elektrolyt kaum entflammbar, was die Brandgefahr deutlich reduziert. Sein größter Trumpf allerdings liegt in einer erheblich gesteigerten Energiedichte der Zellen. Die Festkörperbatterie bietet die Möglichkeit, den bislang üblichen Graphit am Minuspol zu ersetzen. Vor allem metallisches Lithium in der Anode gilt als sehr vielversprechend. Mit seinem Einsatz sind Reichweitensteigerungen von mindestens 30 bis 40 % als realistisch anzusehen.

Alles unter einen Hut

Dem stehen aber einige gravierende Herausforderungen gegenüber, die es zu lösen gilt. Hauptschwierigkeit: Verbessert man eine Eigenschaft einer solchen Festkörperbatteriezelle, opfert man womöglich eine andere wichtige. Schnellladefähigkeit, Akkulebensdauer, Sicherheit, Temperaturmanagement, hohe Energiedichte und Kosten unter einen Hut zu bekommen, ist bislang keiner Forschergruppe und keinem Batteriehersteller gelungen. Viele geben mittlerweile bereits auf. Anfang März 2020 stoppte beispielsweise Fisker sein entsprechendes Projekt. „Wir kamen zu dem Schluss, dass Festkörperbatterien immer noch sehr, sehr weit weg sind – sie sind nicht um die Ecke“, äußerte Geschäftsführer Henrik Fisker damals. „Es ist eine Art Technologie, bei der man das Gefühl hat, zu 90 % am Ziel zu sein – und man dann merkt, dass die letzten 10 % viel schwieriger sind als die ersten 90.“ Das beschreibt sehr gut das Problemfeld, mit dem man es bei Festkörperbatterien zu tun hat.

Daher sollte man bei Ankündigungen eines baldigen Durchbruchs auf diesem Gebiet sehr vorsichtig sein. Viele auf den ersten Blick sensationelle Meldungen dienen eher dem Zweck, Aufmerksamkeit zu generieren und weitere Gelder von Investoren einzusammeln, um die langjährige Forschungsarbeit weiterhin finanzieren zu können. Krasser Fall: Lithium-Schwefel-Batteriespezialist Oxis Energy kündigte im April 2021 an, im Herbst eine Festkörper-Li-S-Zelle Kunden und Partnern für Tests zur Verfügung stellen zu wollen. Nicht einmal einen Monat später war das britische Unternehmen insolvent.

Nicht vor 2025

Schon vor Jahren äußerten Batteriespezialisten auf einem Fachkongress in Berlin, dass sie „morgen“ schon eine Festkörperbatteriezelle präsentieren könnten – allerdings vermutlich zu höheren Kosten und ohne erhebliche Energiedichtevorteile gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen. Genau dies ist ja auch das Kennzeichen der Bolloré-Batterien, die der französische Hersteller in seinen eigenen Elektroautos und -bussen einsetzt und sie auch an Mercedes-Benz für dessen Stadtbus eCitaro verkauft. Sie kommen ohne Kobalt, Nickel, Lösungsmittel und eine aktive Kühlung aus. Der Kapazitätsgewinn allerdings ist überschaubar: Im Vergleich zur aktuellen NMC-Variante aus dem Hause Akasol steigt der Energiegehalt der zehn Batteriepacks von 396 auf 441 kWh, die Minimalreichweite um 25 bis 30 km. Zweifelhaft ist, ob damit ein wirtschaftlicher Vorteil erzielt werden kann, denn die Bolloré-Festkörperakkus müssen über ein integriertes, aufwendiges und teures Heizsystem stets auf eine Betriebstemperatur zwischen 60 und 80°C gehalten werden. In Deutschland ist es vor allem das Wiesbadener Verkehrsunternehmen ESWE, das eCitaro mit Bolloré-Batterien in größerem Maßstab einsetzen will.

Eine der größten Schwierigkeiten bei der Verwendung des vielversprechenden metallischen Lithiums in der Anode ist die Dendritenbildung. Wie kleine Bäume wachsen diese Dendriten mit der Zeit von der Lithiumanode hinüber zur Kathode. Erreichen sie diese nach einer bestimmten Zahl von Ladezyklen, kommt es zu einem Kurzschluss und der Zerstörung der Batterie. Gegenwärtig versucht man diesem Problem dadurch Herr zu werden, indem man die Anode mit Nanoschichten quasi „versiegelt“, was aber natürlich die Leitfähigkeit und damit die Stromaufnahme solcher Zellen verringert. Eine große Herausforderung bei Festkörperbatterien ist zudem das Erreichen einer hohen Zyklenfestigkeit. Durch das feste Elektrolyt können die Zellen oftmals noch zu wenig „atmen“ und altern entsprechend schnell.

Dennoch legen Laborergebnisse immer wieder nahe, dass man schon relativ nahe an der Umsetzung in Serienanwendungen von fortschrittlichen Festkörperbatterien ist. Auch dabei ist Vorsicht geboten. Denn großanlagentaugliche Herstellungsverfahren für die Zellen und Batterien gibt es bislang überhaupt noch nicht. Zudem legen die dazu nötigen Technologieprozesse nahe, dass beide nicht auf vorhandenen Bändern für Lithium-Ionen-Zellen bzw. -Batterien produziert werden können – ein zusätzliches und schwerwiegendes Hindernis.

Lange hat man davon gesprochen, dass mindestens ab 2025 erste Festkörperakkus für den Fahrzeugeinsatz auf dem Markt sein dürften. Mittlerweile wird man in der Branche vorsichtiger. Denn wer 2025 mit einem solchen System marktreif sein will, müsste heute schon die Zellen validiert haben. Das kann jedoch aktuell kein Hersteller von sich behaupten. Selbst für das Jahr 2030 könnte es knapp werden, legt man die üblichen Zellentwicklungs- und -erprobungszeiten für Akkumulatoren als Maßstab an. Denn die Testzeiträume erstrecken sich in der Regel über viele Jahre. Zwischenfazit: Sollten in den nächsten fünf Jahren wesentliche Weiterentwicklungen dieser Batterietechnologie erreicht werden, sind Serieneinsätze ab 2035 bis 2040 realistisch.

Der Zwischenschritt

Sollte nicht irgendein technologisches Wunder geschehen, ist es viel wahrscheinlicher, dass wir es in der Zwischenzeit mit „Semi-Festkörperbatterien“ à la Bolloré zu tun bekommen könnten – Systeme, die etwas mehr können als klassische Lithium-Ionen-Batterien, aber noch weit entfernt sind von den anvisierten Leistungsdaten. Und dafür gibt es einige interessante Aspiranten, allen voran VW-Partner QuantumScape und das US-Start-up Solid Power, in das BMW und Ford investiert haben. Dass die Trauben allerdings noch sehr hoch hängen, zeigt der Umsatz von Solid Power: Der soll 2021 rund 2 Mio. US-Dollar betragen, im Jahr 2025 dann 33 Mio. US-Dollar. Immerhin wird das Unternehmen an der Börse derzeit mit rund 1,2 Mrd. US-Dollar bewertet, was sein Potenzial andeutet.

Konkurrent QuantumScape kommt sogar auf eine Marktkapitalisierung von aktuell rund 10 Mrd. US-Dollar, nicht zuletzt deswegen, weil VW im vergangenen Jahr 200 Mio. US-Dollar in das kalifornische Start-up investiert und im April 2021 noch einmal 100 Mio. US-Dollar nachgeschossen hat. Verdächtig wenig ist über die Leistungsdaten der QuantumScape-Zellen bekannt, was das Vertrauen in einen baldigen Durchbruch nicht unbedingt stärkt. Nebulös hat das Unternehmen geäußert, Ziel sei es, die Reichweite von Elektroautos um bis zu 80 % gegenüber heutigen Lithium-Ionen-Zellen zu verbessern, den Akku in zwölf Minuten auf 80 % aufzuladen und nach 800 Zyklen eine verbleibende Batteriekapazität von mehr als 80 % zu bieten. Einzelheiten bzw. ein konkreter Zeitplan? Bislang Fehlanzeige.

Bekannt ist lediglich, dass es sich bei den bisherigen Protoypenzellen um einlagige Pouchzellen mit relativ „dicken“ Kathoden größer drei Milliamperestunden pro Quadratzentimeter handelt – die also theoretisch eine hohe Ladeleistung generieren können. Den Schwachpunkt einiger Prototypen von Festkörperbatterien, nämlich die geringe Zyklenfestigkeit, will man durch einen festen, keramischen Separator beseitigen. Außerdem soll die QuantumScape-Festkörperbatterie über keine klassische Anode verfügen, sondern sich aus reinem Lithium-Metall formen, sobald der Akku aufgeladen wird.

Die Alternativen

Aber vielleicht kommt der Durchbruch für die Festkörperbatterie auch aus ganz anderen Richtungen. Hydro-Québec aus dem kanadischen Montreal entwickelt ein Festkörperelektrolyt aus einem mit Alkalimetall kombinierten Glas. Es entstand in Zusammenarbeit mit dem 2019er-Nobelpreisträger John B. Goodenough, dem Entdecker des LFP-Akkus. Partner wie Daimler gehören zu den Förderern des Vorhabens.

Das niederländische Forschungsinstitut TNO mit Hauptsitz in Den Haag will über sein 2020 gegründetes Unternehmen Sald BV (Eindhoven) die Zelltechnologie Spatial Atom Layer Deposition (SALD) zur Marktreife bringen. In dem patentierten Verfahren werden Beschichtungen aufgetragen, die so dünn sind wie ein einziges Atom. Sie sollen den Ionenfluss zwischen Kathode und Anode deutlich verbessern. Ziel ist eine 3D-Festkörper-Sald-Zelle, die erheblich leichter, sicherer und leistungsstärker als bisherige Zellentwürfe sein soll. Die Sald-Technologie kann aber auch mit herkömmlichen Zellchemien wie NMC oder LFP kombiniert werden.

Bei der Festkörpertechnologie des 2015 gegründeten Bonner Start-up High Performance Battery (HPB) mit Schweizer Wurzeln wird das feste Elektrolyt nicht in die Zelle eingebracht, sondern entsteht ähnlich einem Zwei-Komponenten-Kleber erst dort. Dadurch überspringt sie elegant wesentliche Hürden für eine Serienproduktion von Festkörperakkus. Die Frage bei alledem jedoch lautet: Ist die klassische Lithium-Ionen-Batterietechnologie, modifiziert um Elemente wie eine siliziumbasierte Anode, die beispielsweise Tesla in seinen neuen 4680er-Zellen einsetzen will, in zehn Jahren vielleicht in einem Wettbewerbsvorteil, der die teurere Festkörperbatterie unwirtschaftlich erscheinen lässt? Vergleichbar dem Wettlauf zwischen Batterie und Brennstoffzelle, den letztere offenbar bei mobilen Anwendungen gerade im Begriff ist zu verlieren? Die nächsten Jahre werden entscheidende Antworten auf diese Fragen geben.

Das Schlusswort soll Heiner Heimes, geschäftsführender Oberingenieur beim PEM der RWTH Aachen, haben: „Aktuell liegt ein zu hoher medialer Fokus auf der Festkörperbatterie, die bislang noch nicht gezeigt hat, dass sie für die Massenproduktion geeignet ist. Ein Warten auf sie zu Lasten der klassischen Lithium-Ionen-Batterie ist die falsche Entscheidung“, sagte er während einer Onlinekonferenz des Internet-Newsdienst electrive. ■