Festkörperbatterien 07.07.2024, 09:00 Uhr

Ist die Superbatterie der Zukunft für Elektroautos aus Gestein?

Wenn Gestein zur Batterie wird: Ein dänisches Forschungsteam hat eine Festkörperbatterie mit Steinsilikaten als Elektrolyt entwickelt. Sie könnte die E-Auto-Industrie verändern.

Festkörperbatterien aus Steinsilikaten

Bringen sie Elektroautos voran? Festkörperbatterien aus Steinsilikaten.

Foto: DTU / Frida Gregersen

Forschende der Technischen Universität Dänemark (DTU) haben ein innovatives Material entwickelt, das Lithium in Batterien ersetzen könnte. Dieses Material basiert auf Kaliumsilikat, einem weit verbreiteten Mineral, das aus gewöhnlichem Gestein gewonnen werden kann. In zehn Jahren könnten Festkörperbatterien aus diesem Material eine umweltfreundliche, effiziente und sichere Alternative zu den heutigen Lithium-Ionen-Batterien sein.

Herausforderungen und Grenzen der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien, die derzeit in Elektroautos eingesetzt werden, haben ihre Grenzen. Ihre Kapazität, Sicherheit und Verfügbarkeit sind eingeschränkt. Lithium ist nicht nur teuer, der Abbau findet mitunter auch unter fragwürdigen Bedingungen statt. Zudem ist das Metall relativ selten, was die Skalierung erschwert und den Übergang zu einer nachhaltigen Elektromobilität behindert.

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Mit dem zunehmenden Interesse an Elektroautos wächst der Bedarf an neuen, leistungsfähigen und umweltfreundlicheren Batterien. Dies erfordert die Entwicklung neuer Materialien für Anode, Kathode und Elektrolyt sowie innovative Batteriekonzepte. Forscher weltweit arbeiten daran, diese neuen „Rezepte“ zu finden, um die Kohlenstoffemissionen des Verkehrssektors zu reduzieren.

Der Durchbruch: Kaliumsilikat als Festkörperelektrolyt

Der Forscher Mohamad Khoshkalam von der DTU hat ein superionisches Material patentiert, das auf Kaliumsilikat basiert. Dieses Mineral gehört zu den häufigsten auf der Erde und ist in gewöhnlichen Steinen zu finden. Ein großer Vorteil dieses neuen Materials ist seine Unempfindlichkeit gegenüber Luft und Feuchtigkeit, was es ideal für den Einsatz in Batterien macht.

Das milchig-weiße, hauchdünne Material kann bei etwa 40 Grad Ionen leiten und bleibt dabei feuchtigkeitsbeständig. Diese Eigenschaften erleichtern die Skalierung und Produktion zukünftiger Batterien. Da das Material in einer offenen Atmosphäre und bei Raumtemperatur hergestellt werden kann, reduziert es die Produktionskosten erheblich. Zudem benötigt es keine teuren und umweltschädlichen Metalle wie Kobalt, die in aktuellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.

Die Bewegung der Ionen in Steinsilikaten war bisher langsamer als in lithiumbasierten Elektrolyten, da Kaliumionen größer und schwerer sind. Doch Khoshkalam hat eine Methode entwickelt, um die Ionenbewegung zu beschleunigen. Dieses Verfahren ist patentiert und zeigt vielversprechende Ergebnisse. Erste Messungen mit Batteriekomponenten haben gezeigt, dass das Material eine ausgezeichnete Leitfähigkeit als Festkörperelektrolyt besitzt.

Vorteile der Festkörperbatterien

Festkörperbatterien gelten als die „Superbatterien“ der Zukunft. Anders als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien bewegen sich die Ionen hier durch ein festes Material, nicht durch eine Flüssigkeit. Dies bietet mehrere Vorteile: Die Batterie wird effizienter und lädt schneller auf. Zudem können die Batteriezellen dünner gefertigt werden, was Platz spart und die Reichweite der Fahrzeuge erhöht. Eine zehnminütige Ladung könnte eine Fahrtstrecke von bis zu 1.000 km ermöglichen.

Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Sicherheit. Festkörperbatterien enthalten keine brennbaren Flüssigkeiten und sind daher feuerfester.

Der Weg zur Kommerzialisierung

Obwohl die Technologie im Labor vielversprechend ist, stehen noch einige Herausforderungen bevor. Die Entwicklung und Herstellung von Festkörperbatterien im großen Maßstab ist komplex und kostspielig. Neue Verfahren müssen entwickelt werden, um die empfindlichen Materialschichten zu schützen und ihre Funktionalität sicherzustellen.

Die Festkörperbatterien aus Kalium- und Natriumsilikaten befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Es wird geschätzt, dass es mindestens zehn Jahre dauern wird, bis sie in Elektroautos zum Einsatz kommen. Die Technologie ist risikoreich, aber die potenziellen Vorteile sind enorm, ist sich das Forschungsteam sicher.

Optimistische Aussichten

Mohamad Khoshkalam und sein Team haben gezeigt, dass sie ein kostengünstiges, effizientes und umweltfreundliches Material für Festkörperelektrolyten gefunden haben. Dieses Material könnte die Leistung herkömmlicher lithiumbasierter Elektrolyte übertreffen.

Ein Jahr nach der Entdeckung hat Khoshkalam ein Patent für seine Rezeptur erhalten und arbeitet nun daran, das Start-up K-Ion zu gründen. Dieses Unternehmen wird Komponenten für Festkörperelektrolyte entwickeln. Der nächste Schritt besteht darin, eine Demo-Batterie zu entwickeln, um Unternehmen und Investoren zu zeigen, dass das Material funktioniert. Ein Prototyp wird in den nächsten ein bis zwei Jahren erwartet.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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