Feststoffbatterien: Potenziale und Herausforderungen auf dem Weg zum Massenmarkt

Batterien spielen eine entscheidende Rolle bei der Elektrifizierung des Verkehrs, der Zwischenspeicherung von erneuerbaren Energien und somit der Verringerung von CO2-Emissionen. Die derzeit führende Batterietechnologie der Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mit flüssigem Elektrolyt wird zwar kontinuierlich weiterentwickelt, stößt aber zunehmend an physikalische Grenzen. Feststoffbatterien (engl. solid-state batteries – SSB) versprechen höhere Energiedichten und eine verbesserte Sicherheit im Vergleich zu Flüssigelektrolyt-LIB. Somit könnten sie den nächsten größeren Entwicklungsschritt darstellen.

Bei einer reinen Festelektrolyt-LIB (engl. all-solid-state batteries – ASSB) wird nicht nur der flüssige Elektrolyt mit einem Feststoff-Elektrolyten ersetzt, sondern dieses neu eingebrachte Material ersetzt gleichzeitig auch den ursprünglichen (Polymermembran-) Separator. Diese Zelltypen stehen jedoch noch vor einigen Herausforderungen in Produktion und Umsetzung. Daher entwickeln Zellhersteller zunehmend hybride fest-/flüssig-LIB. Dabei wird neben einem Festelektrolyten, welcher zumeist als Separator dient, auch zusätzlicher Gel- oder Flüssigelektrolyt genutzt.

In einem aktuellen Beitrag hat das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) sich mit den Chancen und Herausforderungen von Feststoffbatterien auseinandergesetzt, auch mit Blick auf ihren Einsatz in Elektroautos. Die verwendeten Daten stammen aus dem Forschungsprojekt BEMA2020, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird.

Der Aufbau von SSB im Vergleich zu Flüssigelektrolyt-LIB unterscheidet sich wie bereits erwähnt durch das Verwenden eines neuen Separatormaterials bzw. des (teilweisen) Verzichts auf einen flüssigen Elektrolyten. Auch bei den Aktivmaterialien in Anode und Kathode kann es Unterschiede geben.

Anoden-Aktivmaterialien

Lithium-Metallanoden und Silizium-basierte Anoden werden als vielversprechende Alternativen zur aktuell meistverwendeten Graphit-Anode betrachtet, um Batterien mit höheren spezifischen Energien zu realisieren. Herausforderungen bei deren Einsatz sind produktionstechnische Aspekte, die (elektro-) chemische Stabilität mit angrenzenden Komponenten sowie die Volumenänderung von Lithium-Metallanoden und Silizium-Anoden während der Lade- und Entladevorgänge und damit die Langzeitstabilität. SSB-Zellkonzepte setzen häufig auf den Einsatz von Lithium-Metallanoden, um hohe Energiedichten zu erreichen. Ein sicherer Einsatz der Lithium-Metallanoden erfordert den Einsatz eines Festelektrolyten.

Kathoden-Aktivmaterialien

In Feststoffbatterien können dieselben Kathodenmaterialien eingesetzt werden wie in klassischen Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt. Dazu gehören hochenergetische Materialien wie nickelreiche Schichtoxide zusammen mit Mangan und Kobalt oder Aluminium (z. B. NMC, NCA), Spineloxide (z. B. LMO, LMNO) und kostengünstigere Materialien wie Lithium-Eisenphosphat (LFP). Aufgrund ihrer hohen Kapazitäten werden Schichtoxide mit hohem Nickelgehalt als besonders vielversprechend angesehen und könnten die Zukunft der SSB-Zellentwicklung dominieren.

Welche Festelektrolyte zum Einsatz kommen könnten

Drei Klassen von Festelektrolytmaterialien werden aktuell als vielversprechendste für den Einsatz in Feststoffbatterien betrachtet: Polymer-Elektrolyte, Sulfid-Elektrolyte und Oxid-Elektrolyte.

• Polymer-Elektrolyte sind kostengünstig und einfach zu prozessieren, zeigen jedoch geringe Ionenleitfähigkeiten bei Raumtemperatur und nur geringe Stabilität gegenüber Hochpotenzial-Kathoden-Aktivmaterialien.
• Sulfid-Elektrolyte bieten ähnlich hohe Ionenleitfähigkeiten wie Flüssigelektrolyte, zeigen in der Regel jedoch eine begrenzte (elektro‑) chemische Stabilität gegenüber Kathoden- und Anoden-Aktivmaterialien.
• Oxid-Elektrolyte zeigen eine hohe (elektro-) chemische Stabilität gegenüber Kathoden- und Anoden-Aktivmaterialien, sind allerdings aufwendig zu prozessieren und verfügen über nur geringe Ionenleitfähigkeiten, was deren Einsatzmöglichkeiten einschränkt.

Vielversprechende Zellkonzepte und deren potenzieller Markteintritt

Polymer-SSB, bestehend aus Lithium-Metallanoden, einem Polymer-Elektrolyten als Separator und als Katholyt (Flüssigelektrolyt-Ersatz auf der Kathodenseite) und einem LFP-Kathodenmaterial, befinden sich bereits im Einsatz (z. B. in Elektrobussen). Dieses Zellkonzept muss allerdings bei erhöhter Temperatur betrieben werden, um eine ausreichende Ionenleitfähigkeit des Polymer-Elektrolyten zu gewährleisten. Eine Weiterentwicklung dieses Zellkonzepts beispielsweise mit NMC-basierten Kathodenmaterialien ist in der Entwicklung und wird zwischen 2025 und 2030 erwartet.

Sulfid-SSB-Zellkonzepte verwenden in der Regel NMC-basierte Kathodenmaterialien, Sulfid-Elektrolyte als Separator und Katholyt (und Anolyt – also der entsprechende Flüssigelektrolyt-Ersatz auf Anodenseite), sowie eine Lithium-Metallanode oder eine Silizium-basierte Anode. Beide Zellkonzepte (mit Li- oder Si-Anode) werden als vielversprechend erachtet und zwischen 2025 und 2030 auf dem Markt erwartet.

Oxid-SSB-Zellkonzepte verwenden in der Regel ebenfalls NMC-basierte Kathodenmaterialien, Lithium-Metallanoden, einen Oxid-Elektrolyten als Separator und einen Gelelektrolyten als Katholyt. Dieses Zellkonzept wird ebenfalls zwischen 2025 und 2030 auf dem Markt erwartet. Mittelfristig könnten anstatt der Gelelektrolyte auch Sulfid-Elektrolyte als Katholyt zum Einsatz kommen und somit alle flüssigen (bzw. gelförmigen) Bestandteile ersetzen. Oxid-SSB werden zunächst somit als hybride (flüssig/fest) Zellkonzepte auf den Markt kommen.

Insgesamt geht der Trend zur Hybridisierung von Zellkonzepten, die eine Kombination verschiedener Festelektrolyte oder auch eine Kombination von festen und flüssigen Elektrolyten verwenden, um die besten Eigenschaften der einzelnen Elektrolyte auszunutzen.

Anwendungen von Feststoffbatterien

Die Entwicklung von Feststoffbatterien wird hauptsächlich durch die Elektromobilität und deren Streben nach höheren Energiedichten und somit größeren Reichweiten vorangetrieben. Polymer-Feststoffbatterien sind bereits auf dem Markt und werden aktuell vor allem in Elektrobussen eingesetzt. Sulfid-Feststoffbatterien könnten zunächst im Consumer-Bereich Einzug finden und dann voraussichtlich noch vor 2030 auch in Elektroautos verbaut werden. Oxid-Feststoffbatterien sind ebenfalls vielversprechend für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Langfristig könnten alle Arten von Feststoffbatterien auch in stationären Anwendungen zum Einsatz kommen, vorausgesetzt die Kosten pro Ladezyklus sind konkurrenzfähig.

Ausblick

Mit der Aussicht auf höhere Energiedichten, eine verbesserte Sicherheit und niedrigere Kosten können Feststoffbatterien als nächster evolutionärer Schritt von Lithium-Ionen-Batterien angesehen werden. Es gibt noch einige technische Herausforderungen, insbesondere bezüglich der Auswahl der Materialien, der Kompatibilität der unterschiedlichen Komponenten sowie der Produktionstechnologien für die Massenproduktion.

Starke Aktivitäten in Forschung und Entwicklung, angetrieben durch das große Interesse insbesondere aus dem Automobilsektor, lassen vermuten, dass diese Herausforderungen gelöst werden können. Letztendlich werden Feststoffbatterien dann aber ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt auf dem Markt beweisen müssen, insbesondere in Bezug auf Kosten, Energie- und Leistungsdichte.

Quelle: Fraunhofer ISI – Pressemitteilung vom 27.12.2023