Erstes Serien-E-Auto mit Halb-Festkörperbatterien: Was der MG4 Urban wirklich kann
Die Feststoffbatterie ist das größte Versprechen der Elektromobilität seit der Erfindung des Lithium-Ionen-Akkus – mit der Halb-Festkörperbatterie bringt der chinesische Hersteller MG jetzt eine Vorstufe davon in Serie. Was leistet die Batterie in der Praxis?
Der MG4 Urban kommt mit einer Festkörperbatterie auf den Markt.
Foto: MG Motor Austria
Eine Halb-Festkörperbatterie bedeutet weniger Brandrisiko, mehr Energiedichte, bessere Kältetoleranz im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus. MG bringt als erster Hersteller ein Modell mit diesem Batterietyp in Serie und auch andere asiatische Hersteller stehen kurz vor dem Marktstart. Eine Kampfansage an Europas Ingenieure.
Inhaltsverzeichnis
- MG4 Urban: Außen unspektakulär, unter der Haube revolutionär
- Halb-Festkörperbatterien: Höhere Leistung bei weniger Gewicht
- Drei Klassen von Festelektrolyten in der Festkörperbatterie
- Patentweltmeister in Sachen Festkörperbatterie ist Toyota
- Deutsche Hersteller sind noch in der Erprobungsphase
- Asiatische Hersteller bauen Know-how in der Praxis auf
- Marktsegmente sichern durch Serienstart
MG4 Urban: Außen unspektakulär, unter der Haube revolutionär
An der Innsbrucker Bundesstraße steht die Zukunft schon vor der Tür … und findet noch wenig Beachtung. Der MG4 Urban ist ja äußerlich auch beileibe nicht gerade eine spektakuläre Neuerscheinung im Salzburger Autohaus Denzel: ein braver Kompaktwagen, Basispreis knapp 25.000 €, elektrisch. Unterm Blech der Topversion steckt aber eine Revolution, für die Volkswagen, BMW und Mercedes noch Milliarden in Forschungslabore stecken: eine Batterie, fast ausschließlich als Festkörper-Elektrolyt.
Von den MG-Ingenieuren um Teamchef Li Zheng wird der Akku SolidCore genannt – zu Recht. In konventionellen Lithium-Ionen-Akkus schwimmen die Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten zwischen den Elektroden hin und her. Wird eine Zelle beschädigt, überhitzt oder kurzgeschlossen, kann sich der Elektrolyt entzünden und eine Kettenreaktion auslösen – der gefürchtete sogenannte „Thermal Runaway“. Beim MG4 Urban ist der Elektrolyt bereits zu 95 % fest, nur noch 5 % der Substanz sind flüssig. Deshalb der bescheidene Begriff Halb-Festkörper.
Halb-Festkörperbatterien: Höhere Leistung bei weniger Gewicht
Laut Entwickler Li bringt der Zwischenschritt schon heute reale Vorteile: Die Kathode erlaubt dreidimensionale Ionenbewegung statt der bisher üblichen ein- oder zweidimensionalen – das beschleunigt Lade- und Entladevorgänge. Auch bei minus 30 °C soll die Batterie noch volle Leistung liefern. Die Energiedichte dürfte zudem zwischen 200 Wh und 300 Wh pro Kilogramm liegen – konventionelle Lithium-Ionen-Zellen schaffen heute 160 Wh/kg bis 270 Wh/kg. MG nennt zwar keine präzisen Kapazitätszahlen, hat aber vor einigen Tagen ein Muster mit 100 kWh Kapazität bei einem Gewicht von 296 kg präsentiert. Zum Vergleich: Der Opel Astra Sports Tourer schleppt 345 kg mit, um nur 58 kWh zu speichern.
Der Schritt, diese Technologie zuerst in der Kompaktklasse einzusetzen, ist strategisch begründet. „Wir haben das bewusst umgedreht“, sagt Li. Für die industrielle Beherrschung der neuen Zellfertigung brauche man hohe Stückzahlen – und die erreiche man nur in einem Volumenmodell. Das liefert die Produktionsmasse, um Qualität zu stabilisieren und Kosten zu senken. Der Kunde sei aber kein Versuchskaninchen, die Technik sei marktreif.
Der MG4 Urban ist ein Zwischenschritt. Die eigentliche Zielmarke der Branche bleibt die reine Festkörperbatterie mit 100 % festem Elektrolyt – und deren Hürden sind erheblich
Drei Klassen von Festelektrolyten in der Festkörperbatterie
Die Physik hinter der Feststoffbatterie ist elegant, die Materialwissenschaft dahinter tückisch. Drei Klassen von Festelektrolyten konkurrieren um die Vorherrschaft: Sulfide, Oxide und Polymere. Sulfide leiten Ionen so gut wie Flüssigkeiten, reagieren aber empfindlich auf Feuchtigkeit – ein Produktionsproblem. Oxide sind chemisch stabil und nahezu unbrennbar, aber hart wie Keramik, was die mechanische Integration in Zellen erschwert. Polymere lassen sich gut verarbeiten, funktionieren aber oft erst ab 50 °C optimal – eine Herausforderung für Fahrzeuge im Winteralltag.
Das zentrale technische Problem ist die Grenzfläche zwischen Festelektrolyt und Elektrode. In flüssigen Systemen benetzt der Elektrolyt jede Pore der Elektrode – maximaler Kontakt, optimaler Ionenfluss. Bei festen Materialien müssen zwei starre Oberflächen atompräzise aneinandergrenzen. Mikrorisse oder Volumenänderungen beim Laden und Entladen unterbrechen diesen Kontakt und erhöhen den inneren Widerstand. Toyota, BMW oder der VW-Partner Quantumscape arbeiten seit Jahren daran, diesen Effekt zu beherrschen.
Hinzu kommt das sogenannte Dendriten-Problem. Reines Lithium als Anodenmaterial bietet eine theoretische Kapazität von 3865 mAh pro Gramm – mehr als zehnmal so viel wie Grafit. Doch beim Laden wächst Lithium als nadelartige Kristalle. Diese Dendriten können den Elektrolyten durchdringen und einen Kurzschluss provozieren. Ursprünglich haben Ingenieure gehofft, feste Keramikmaterialien würden das physisch blockieren. Doch Dendriten wachsen auch durch Risse in Festkörpern. Quantumscapes keramischer Separator soll aber selbst bei hohen Ladeströmen das Dendritenwachstum unterdrücken. Wenn er serienreif ist.
Patentweltmeister in Sachen Festkörperbatterie ist Toyota
Toyota ist schon ein Stück weiter: Die Japaner halten weltweit mehr als 1300 Patente im Bereich Feststoffbatterien – mehr als jeder andere Hersteller. In Zusammenarbeit mit dem japanischen Energiekonzern Idemitsu Kosan betreibt Toyota zudem seit Kurzem eine Pilotproduktionslinie für sulfidbasierte Festelektrolyte. Das Ziel: Ab 2027 sollen erste Modelle der Luxus-Marke Lexus mit einer Feststoffbatterie ausgestattet werden. Reichweite: 1000 km, Ladezeit von 10 % bis 80 %: 10 min. Das steht im Lastenheft der Serie.
Der weltgrößte Batteriehersteller Catl hat schon Prototypen mit einer Energiedichte von 500 Wh/kg präsentiert. Eine Kleinserie soll 2027 starten – zu hohen Kosten. Und Chery zeigt schon einen Prototyp mit 1300 km Reichweite und einer Energiedichte von 600 Wh/kg; Serienstart ist ebenfalls im kommenden Jahr geplant. Ob diese Werte unter realen Fahrbedingungen erreichbar sind, bleibt offen.
Deutsche Hersteller sind noch in der Erprobungsphase
Die deutschen Hersteller setzen erst auf Perfektion, dann auf Serie. Volkswagen hat nach eigenen Angaben rund 300 Mio. $ in das US-amerikanische Start-up Quantumscape investiert und hält eine signifikante Beteiligung. Erste Prototyp-Zellen sind schon an VW-Konzernmarken ausgeliefert; eine Testflotte ist im Aufbau. Die VW-Batterietochter PowerCo hat eine Lizenz für bis zu 40 GWh Jahresproduktion; genug für rund 1 Mio. Fahrzeuge – mit Option auf Verdopplung. Ziel ist die Integration in die konzerneigene Einheitszelle.
BMW schickt modifizierte 7er-Modelle mit Feststoffzellen des US-Partners Solid Power auf die Straße. Die erste Ausbaustufe nutzt Silizium-Anoden mit einer Energiedichte von rund 390 Wh/kg. Die finale Stufe mit Lithium-Metall-Anoden soll über 440 Wh erreichen. In Parsdorf bei München betreibt BMW dazu eine eigene Prototypenlinie, um die lizenzierten Technologien auf industrielle Maßstäbe zu übertragen. Eine Serienreife der Zellen strebt BMW schon in diesem Jahr an – wobei das zunächst Pilotfertigung bedeutet, nicht Massenproduktion.
Mercedes-Benz verfolgt den breitesten Ansatz. Drei Partner gleichzeitig – Factorial Energy aus den USA, Prologium aus Taiwan und Farasis Energy aus China – sollen Technologieoffenheit garantieren. Ein modifizierter Mercedes EQS hat bereits eine Fahrt von Stuttgart nach Malmö – 1205 km ohne Ladestopp – mit einer Factorial-Batterie auf Basis der sogenannten Fest-Technologie (Factorial Electrolyte System Technology) absolviert. Der Clou: Rund 80 % der bestehenden Fertigungsanlagen lassen sich für diese Zellen weiter nutzen, was die Investitionskosten beim Umstieg erheblich senkt. Parallel entwickelt Mercedes mit Factorial die Solstice-Plattform, eine vollkeramische Feststoffzelle mit bis zu 390 Wh/kg und thermischer Stabilität bis 200 °C.
Asiatische Hersteller bauen Know-how in der Praxis auf
Die Gefahr der behutsamen europäischen Entwicklungsvariante liegt darin, dass asiatische Hersteller Erfahrungskurven und Marktpositionen aufbauen, während die deutschen Konzerne noch validieren – und womöglich an der Kostenklippe der Kleinserienfertigung scheitern. Feststoffbatterien kosten aktuell noch zwischen 400 $ und 600 $ pro Kilowattstunde. Konventionelle Lithium-Ionen-Akkus unterschreiten inzwischen die Marke von 100 $/kWh.
Hinzu kommt die Fertigungsherausforderung. Rund 60 % der Anlagen in einer modernen Batteriezellfabrik – vor allem die Bereiche für Flüssigelektrolytbefüllung und lange Trocknungskammern – sind für reine Feststoffzellen nicht nutzbar. Neue Trockenbeschichtungsverfahren, wie sie PowerCo und Factorial entwickeln, sollen dieses Problem lösen und gleichzeitig den Energieverbrauch der Produktion senken. Für bestehende Gigafabriken bedeutet das Milliardeninvestitionen in neue Anlagen. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung nennt 2030 als realistischen Horizont für den breiteren praktischen Einsatz von Feststoffbatterien in Serienfahrzeugen.
Ein weiterer Faktor ist die Rohstoffabhängigkeit. Feststoffbatterien könnten den Bedarf an Grafit – heute zu großen Teilen aus China – drastisch reduzieren, weil Lithium-Metall als Anode an die Stelle von Grafit tritt. Der Lithiumbedarf selbst steigt jedoch stark an. Gleichzeitig könnten Feststoffzellen wegen ihrer stabilen Mineralzusammensetzung einfacher recycelt werden als Flüssigzellen, da keine brennbaren Elektrolyte aufwendig neutralisiert werden müssen. Ihre erwartete Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren würde die Gesamt-CO2-Bilanz eines Fahrzeuglebenszyklus erheblich verbessern.
Die gute Nachricht: Deutsche Hersteller sind technologisch mit Toyota und den chinesischen Giganten auf Augenhöhe, in manchen Teilbereichen sogar voraus. Die Frage ist, ob 2027 oder 2028 noch früh genug ist, um die Marktdefinition nicht anderen zu überlassen. Auch durch gezielte Zwischenschritte vor dem großen Feststoff-Aufbruch.
Marktsegmente sichern durch Serienstart
Die Semi-Solid-Lösung von MG ist so gesehen nämlich schon ein Angriff auf Marktsegmente, die europäischen Herstellern traditionell gehören. Ein günstiger Kompaktwagen mit überlegener Batterietechnologie, besserem Kälteverhalten und geringerem Brandrisiko – solche Brückentechnologien sind nicht nur Übergangsphänomene, sondern eigenständige Produktgenerationen. Und wer die Brücke baut, sammelt die Kunden von morgen. Dann, wenn die reine Feststoffbatterie kommt.
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