Feststoffbatterien: Machen sie das E-Auto fit für die Zukunft?
E-Autos mit Festkörperbatterie sollen größere Reichweiten ermöglichen und schneller zu laden sein. Doch wann ist die Technik serienreif? Wir haben uns den aktuellen Stand der Forschungen angeschaut, welche Hürden noch warten und wie die Autobauer BMW, VW und Mercedes-Benz dieses Thema angehen.
E-Autos mit Festkörperbatterie versprechen Reichweiten von 1000 km und mehr
Foto: Panthermedia.net/kaptn
Zwei immer wieder aufkommende Kritikpunkte bei E-Autos sind ihre geringe Reichweite und lange Ladezeiten. Mit Feststoffbatterien lassen sich diese Probleme enorm verbessern, so die Hoffnung der Autohersteller. Noch sind Batterien mit festen Elektrolyten nicht serienreif und es wird sicherlich noch einige Jahre dauern, bis wir die ersten Elektrofahrzeuge mit dieser Batterietechnik auf der Straße sehen werden. Autobauer wie VW, Nissan, BMW, oder Mercedes Benz liefern sich jedoch derzeit ein Wettrennen, wer die Technik zuerst serienmäßig in seine Fahrzeuge bekommt. Zudem forschen weltweit zahlreiche Forschungsgruppen an langlebigen Festkörperbatterien, die ein Wendepunkt in Sachen E-Mobilität darstellen könnten.
Was sind Feststoffbatterien?
Feststoffbatterien unterscheiden sich von den derzeit vorwiegend in Autos verwendeten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) hauptsächlich hinsichtlich der verwendeten Elektrolyten. Während sie bei den herkömmlichen Batterien flüssig sind, bestehen sie bei Feststoffbatterien vollständig aus festen Materialien. Am vielversprechendsten sind hierbei Oxid-Elektrolyte, Sulfid-Elektrolyte und Polymer-Elektrolyte.
Der chinesische Hersteller SVOLT meldet zum Beispiel ganz aktuell einen weiteren Fortschritt bei Festkörperbatterien mit sulfidbasiertem Elektrolyt. Die Festkörperzellen des Prototypen mit bis zu 20 Ah sollen eine Energiedichte von 350-400 Wh/kg aufweisen und Elektroautos Reichweiten von mehr als 1.000 Kilometern ermöglichen. Mit einem Nageldurchschlagtest wurde zudem nachgewiesen, dass die Feststoffzellen bei Beschädigung nicht in Brand ausbrechen, wie es bei Flüssigelektrolyt-Zellen der Fall ist.
„Die Entwicklung der Feststoffzellentechnologie mit sulfidbasiertem Elektrolyt ist eine große Herausforderung. Wir sind stolz, dass wir als erster Batteriehersteller Prototypen mit bis zu 20 Ah entwickelt haben“, sagte Dr. Dominik Lembke, Director Product Development Europe bei SVOLT.
Elektro-Busse wie der Mercedes eCitaro fahren bereits mit Festkörperbatterien mit Polymer-Elektrolyt. Zu den Nachteilen von Kunststoffen als Elektrolyt gehören eine geringe Ionenleitfähigkeit, chemische Reaktionen mit den Kathodenmaterialien und eine niedrige Grenzstromdichte. Oxidische und sulfidische Elektrolyten aber sollen frühestens 2025 starten, denn sie sind deutlich schwieriger herzustellen, vor allem in großen Mengen.
Welche der drei Varianten letztlich das Rennen machen wird, ist allerdings noch nicht abschließend geklärt, Dr. Thomas Schmaltz von Fraunhofer ISI sagt hierzu:
„Es ist derzeit noch nicht absehbar, welches Festkörper-Batteriekonzept am Ende die größte Leistungsfähigkeit besitzen wird, was eine parallele Entwicklung verschiedener Ansätze und damit höhere Investitionen erfordert.“
Eine der zentralen Komponenten in jeder Batterie ist der Elektrolyt. Er übernimmt den Transport der Ionenen zwischen Anode und Kathode. Im Gegenzug wandern die Elektronen in die Gegenrichtung und sorgen für den Stromfluss. Dieser Stromfluss treibt letztlich den Elektromotor des Fahrzeugs an. Während flüssiges Elektrolyt so leicht und schnell brennt wie das chemisch verwandte Benzin, lässt sich sein festes Gegenstück fast gar nicht in Brand setzen. Vor allem bei Kollisionen von E-Autos könnte das ein Sicherheitsvorteil sein. Lesen Sie hierzu: Brände bei E-Autos – wie werden sie eigentlich gelöscht.
Festkörperbatterien, die sich aktuell in der Entwicklung befinden und in den kommenden Jahren auf den Markt kommen könnten, versprechen Verbesserungen bei mehreren Leistungsparametern. So steigt zum Beispiel die Betriebssicherheit, da die Batterien keine giftigen Flüssigkeiten freisetzen. Sie sollen sich zudem wesentlich schneller laden lassen und eine höhere Reichweite haben. Ein weiterer Vorteil ist die Lebensdauer, während LIB bis zu 3.000 Ladungszyklen erreichen, sollen es bei Feststoffbatterien bis zu 100.000 Zyklen werden.
Daran hakt es derzeit noch
Größere Probleme gibt es derzeit vor allem noch bei der Lebensdauer von Festkörperbatterien. Beim Laden im Labor bilden sich oft kleine Lithium-Äste. Diese sogenannten Dendrite sorgen dafür, dass sich die Zellen weniger oft aufladen lassen. Sogar Kurzschlüsse können entstehen. Eventuell haben japanische Wissenschaftler dieses Problem jetzt gelöst, sie haben neuartige Elektroden entwickelt, die ihr Volumen nicht verändern. Damit sollen Festkörperbatterien wesentlich langlebiger werden.
Die Ladefähigkeit bei niedrigen Temperaturen ist ebenfalls noch nicht abschließend geklärt. Genauso wie das superschnelle Laden von Festkörperbatterien, hier fehlt ebenfalls noch der Praxisnachweis. Zwar werben Autohersteller jetzt bereits damit, dass sich Autos mit Festkörperbatterie superschnell aufladen ließen, in der Praxis nachgewiesen wurde es bislang jedoch noch nicht. Und auch beim Preis sind sich die Experten noch nicht sicher, ob er wirklich günstiger als bei LIB sein wird. Immerhin braucht es bei Festkörperbatterien etwa 20 Prozent mehr hochreines Lithium, um die gleiche Kapazität zu erhalten.
Dennoch liefern sich die Autobauer ein Rennen um die Feststoffbatterie. Zwar investieren sie gerade unzählige Milliarden in eigene Gigafabriken für die Produktion herkömmlicher LIB, parallel dazu entwickeln sie aber auch mit hohem Aufwand die neue Technologie weiter. Als eine der Hauptaufgaben muss die Industrie allerdings noch die Fertigung im Großserienmaßstab meistern, bislang ist noch kein Hersteller über die Erprobungsphase hinausgekommen.
Wann kommen Feststoffbatterien für E-Autos?
Das ist schwierig zu sagen, sicher ist, dass die Festkörperbatterie keine Technologie für morgen, sondern eher für übermorgen ist. Nissan hat zum Beispiel angekündigt, im Jahr 2024 mit einer Pilotproduktion zu starten. Vier Jahre später soll dann das erste Serienauto mit Festkörperbatterie auf den Markt kommen. Ähnliche Zeiträume sind bei anderen Autoherstellern zu erwarten.
VW hat beispielsweise bisher stolze 300 Millionen US-Dollar in des US-Start-up Quantumscape gesteckt. Das Unternehmen arbeitet an Lithium-Metall-Festkörperbatterien, die nach Angaben des Herstellers alle Anforderungen der Automobilindustrie erfüllt: Lange Lebensdauer, Sicherheit, hohe Energiedichte, Schnellladefähigkeit und eine realistische Betriebstemperatur. Parallel dazu testet VW in seinen eigenen Laboren die ersten Batteriezellen des Start-ups. Die Wolfsburger möchten die Feststoffzelle zunächst im Premium-Segment einsetzen, wann das sein wird, ist noch nicht klar. Ganz aktuell hat am 22.12.2022 Quantumscape die Auslieferung von Feststoffbatterie-Prototypen angekündigt.
Auch Mercedes-Benz tüftelt an der Feststoffbatterie-Technik – und zwar zusammen mit dem US-Unternehmen Factorial Energy. In das Unternehmen investiert zudem Stellantis, zu dessen Portfolio Marken wie Fiat, Opel, Peugeot oder Citroën gehören. Auch Hyundai-Kia setzt auf diesen Hersteller. Der Zeitplan von Factorial Energy sieht so aus, dass in zwei Jahren erste Pilotproduktionen anlaufen könnten. Ab 2027 sollen erste Serien aus dem Luxussegment mit Festkörperbatterie ausgestattet werden, ab 2030 ist dann eine Massenproduktion möglich.
Ganz aktuell zum Jahresende 2022 vertieft BMW seine Partnerschaft mit dem US-Unternehmen Solid Power. Das umfasst eine Forschungs- und Entwicklungslizenz für den Autokonzern für das Design und Fertigungs-Know-how von Festkörperzellen. BMW wird Solid Power bis Juni 2024 20 Millionen US-Dollar zahlen, wenn bestimmte Meilensteine erreicht werden. Der bayrische Autobauer hat für Ende des Jahrzehnts eine Festkörper-Batterie für die Serienfertigung angekündigt. Ein erstes Demonstrator-Fahrzeug mit dieser Technologie soll „deutlich vor 2025“ auf der Straße sein.
Wenn die Pressemitteilungen des chinesischen Auto-Start-ups Nio stimmen, rollt bereits ab 2024 das erste E-Auto mit Festkörperbatterie auf deutschen Straßen. Es hört auf den Namen ET7 und soll Tesla Konkurrenz machen. Die Eckdaten der Antriebstechnik sind wirklich beeindruckend: 653 PS Leistung, 850 Nm Drehmoment und über 1000 Kilometer Reichweite mit der Festkörperbatterie. Aktuell gibt es zwei herkömmliche LIB-Akkus mit 75 und 100 kWh Kapazität, deren Reichweiten mit 445 und 580 Kilometern angegeben werden.
Und was macht Tesla? Elon Musk setzt bislang – zumindest offiziell – lieber auf bessere Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigen Elektrolyten – etwa die von CATL. Allerdings bemerkte Martin Eberhard, Mitbegründer und Vorsitzender von Tesla kürzlich, dass die Festkörperelektrolyt-Technologie von ProLogium die aufregendste neue Entwicklung sei, die er in diesem Bereich gesehen habe.
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