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Feststoffbatterie

Feststoffbatterien, auch Solid-State-Batterien genannt, sind eine neue Generation von Batterien, die als möglicher Zukunftstrend in der Elektromobilität angesehen werden. Sie unterscheiden sich von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien durch ihre Festkörperkomponenten – anstatt eines flüssigen oder gelartigen Elektrolyten, der den Ionenfluss zwischen den Elektroden ermöglicht, verwenden sie einen festen Elektrolyten. Diese Änderung mag subtil klingen, aber sie birgt das Potenzial, die Batterietechnologie dramatisch zu verändern.

Aktuelle News rund um die Feststoffbatterie

Feststoffbatterie: Problemlöser der E-Mobilität?

Lithium-Ionen-Akkus, wie sie heute so gut wie in jedem Elektroauto zum Einsatz kommen, bieten zwar praxistaugliche Reichweite von bis zu 500 Kilometern, jedoch haben sie einige Nachteile: Sie sind sehr schwer und besitzen nur eine geringe Energiedichte von 500 Wattstunden pro Liter. Zum Vergleich: Ein Kilo Benzin (Super 95) hat knapp über das 20-fache, in etwa 9.000 Wattstunden. Ferner sind die derzeitigen Akkus noch recht teuer und lassen sich nur recht langsam laden. Es braucht also mehr Sicherheit, größere Speicherkapazitäten und kürzere Ladezeiten, um dem E-Auto den Durchbruch zu ermöglichen. Hier kommt die Feststoffbatterie ins Spiel!
Die Weiterentwicklung von Batterien für verschiedene Anwendungsfelder ist also mit großen Erwartungen verbunden. Das Konzept der Festkörperbatterie gilt als mögliche Weiterentwicklung der heute gängigen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mit flüssigen Elektrolyten. Festkörperbatterien kommen ohne solche brennbaren Bestandteile aus und versprechen höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten. Als Ionen-leitende Schicht kommen vor allem Keramiken und Kunststoffe infrage. Im Übrigen verwendet Mercedes bereits eine solche Technologie in Serie – und zwar bei dem Linienbus eCitaro.

Feststoffbatterie Entwicklungsstand und Potenziale

Das Optimierungspotenzial von Lithium-Ionen-Akkus (LIB) wird mit zunehmender technologischer Weiterentwicklung immer geringer. Laut Fraunhofer Institut wird erwartet, dass diese Technologie im kommenden Jahrzehnt langsam an ihre Grenzen stößt. Allerdings zeigt sich auch, dass Feststoffbatterien, im Vergleich zu hochmodernen Flüssigelektrolyt-LIB deutliche Leistungsverbesserungen mitbringen müssen, um relevante Marktanteile zu erreichen. Wichtige Leistungsparameter sind dabei Energiedichte, Sicherheit, Lebensdauer, Kosten und Schnellladefähigkeit.
Feststoffbatterien haben das Potenzial, klassische LIB in puncto Energiedichte zu übertreffen, insbesondere da sie einen Einsatz von Li-Metall-Anoden ermöglichen. Zudem gilt ihre Sicherheit selbst auf der Zellebene als hoch, weil sie keine brennbaren Flüssigkeiten enthalten. Ihre Lebensdauer könnte die von Flüssigelektrolyt-LIB sogar übersteigen, allerdings müssen dazu noch technische Herausforderungen bewältigt werden, wie zum Beispiel Volumenänderungen während des Auf- oder Entladens.
Die Kosten der Feststoffbatterien dürften zu Beginn ihrer Markteinführung, unter anderem aufgrund geringerer Produktionsvolumina, deutlich höher ausfallen als bei aktuellen LIB. Die Schnelladefähigkeit von Feststoffbatterien ist aktuell durch die meist geringe ionische Leitfähigkeit der Festelektrolyte begrenzt, ihr Design könnte aber speziell dafür angepasst werden. Insgesamt ist zu beachten, dass die Verbesserung eines Leistungsparameters häufig zulasten eines anderen geht, und die Batterien entsprechend auf bestimmte Anforderungen und Anwendungen maßgeschneidert werden könnten.
Angesichts höherer Anfangskosten ist es denkbar, dass Feststoffbatterien zunächst in oberen Marktsegmenten genutzt werden. Kostenreduzierungen durch Skalierungseffekte könnten der Technologie langfristig helfen, weitere Anwendungsbereiche wie zum Beispiel in LKW und stationären Speichern oder nach 2035 auch in der Passagierluftfahrt zu erschließen.
In Hinblick auf künftige Marktentwicklungen dürfte die Feststoffbatterie-Produktion, die global derzeit unter 2 GWh bleibt und auf Polymer-SSB basiert, zwischen 2025 und 2030 stark zulegen – wenn Feststoffbatterien auf Oxid- und Sulfid-Elektrolyt-Basis auf den Markt kommen. Die Produktionskapazität wird im Jahr 2030 auf 15 bis 55 GWh und für 2035 auf 40 bis 120 GWh geschätzt, was in etwa einem bis zwei Prozent des dann entstandenen LIB-Markts entspricht. Flüssigelektrolyt-LIB dominieren damit auf noch absehbare Zeit den Markt.

Vor- und Nachteile der Feststoffbatterie

Es gibt viele Aspekte, die beim Gesamtkomplex der Feststoffbatterie gegeneinander abzuwägen sind. Dann kann man Vorteile und Nachteile der Solid-State-Batterie, je nach Ausgangslage, analysieren. Aus diesem Grund nachfolgend eine kurze Auseinandersetzung, zunächst mit den Vorteilen, dann gefolgt von den Nachteilen der Feststoffbatterie.

Festoffbatterie Vorteile

  • Höhere Energiedichte
  • Verbesserte Sicherheit
  • Längere Lebensdauer

Feststoffbatterie Nachteile

  • Höhere Herstellungskosten
  • Gesteigerte Fertigungskomplexität
  • Veränderte Temperaturanforderungen im Fahrzeug
Eine der attraktivsten Eigenschaften von Feststoffbatterien ist ihre hohe Energiedichte. Sie können bis zu doppelt so viel Energie speichern wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Dies könnte zu erheblich erhöhten Reichweiten für Elektrofahrzeuge führen, was ein wichtiger Faktor für viele potenzielle Käufer ist. Zudem bieten Feststoffbatterien ein höheres Maß an Sicherheit im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie. Der feste Elektrolyt ist nicht brennbar, was das Risiko von Batteriebränden verringert. Zudem sind sie weniger anfällig für das sogenannte “Thermal Runaway”-Phänomen, eine unkontrollierte thermische Reaktion, die bei LIB zu schweren Sicherheitsproblemen führen kann. Die festen Elektrolyten in Feststoffbatterien sind widerstandsfähiger gegenüber den chemischen Reaktionen, die während des Lade- und Entladezyklus einer Batterie stattfinden. Dies führt zu einer verlängerten Lebensdauer und könnte die Kosten für den Austausch von Batterien in Elektrofahrzeugen senken.
Feststoffbatterien haben allerdings auch mit Nachteile zu kämpfen. Derzeit sind die Kosten für die Herstellung von Feststoffbatterien höher als für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Dies liegt an den speziellen Materialien, die für den festen Elektrolyten benötigt werden, sowie an den anspruchsvollen Herstellungsprozessen. Die Fertigung von Feststoffbatterien ist komplizierter und erfordert präzisere Techniken als die Herstellung von herkömmlichen Batterien. Das macht es schwieriger, sie in großem Maßstab zu produzieren. Einige Arten von Feststoffbatterien funktionieren am besten bei hohen Temperaturen, was in einigen Anwendungen, insbesondere in Fahrzeugen, problematisch sein kann. Forscher arbeiten jedoch an Lösungen, um diesen Nachteil zu überwinden.
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Technologische Herausforderungen der Festkörperbatterie

Die Produktion und Anwendung von Feststoffbatterien ist ein technologisch anspruchsvolles Unterfangen, und es gibt verschiedene Herausforderungen, die überwunden werden müssen, um diese Batterien für den breiten Markt zugänglich zu machen.
  • Interfaceprobleme: Eines der Hauptprobleme bei Feststoffbatterien ist die Herstellung einer stabilen und zuverlässigen Verbindung zwischen dem festen Elektrolyten und den Elektroden. Diese Verbindung ist entscheidend für den effizienten Ionenfluss und damit für die Leistung der Batterie. Bei flüssigen oder gelartigen Elektrolyten kann das Material leicht in Kontakt mit der Elektrode gebracht werden, aber bei festen Elektrolyten ist dies schwieriger zu erreichen.
  • Fertigungsprozess: Der Herstellungsprozess von Feststoffbatterien ist komplexer und erfordert präzisere Techniken als die Produktion von herkömmlichen Batterien. Dies stellt eine Herausforderung für die Massenproduktion dar und kann die Kosten erhöhen.
  • Materialauswahl: Die Auswahl des richtigen Materials für den festen Elektrolyten ist ebenfalls eine Herausforderung. Das Material muss eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweisen, chemisch stabil sein und sich bei Raumtemperatur gut mit den Elektroden verbinden lassen. Es wurden bereits verschiedene Materialien untersucht, darunter verschiedene Arten von Keramiken und Glas, aber jedes Material hat seine eigenen Vor- und Nachteile.
  • Temperaturbedingungen: Einige Feststoffelektrolyten zeigen die beste Leistung bei hohen Temperaturen. Dies ist für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge unpraktisch, da es zu einer erhöhten Belastung der Kühl- und Heizsysteme führen kann. Forscher sind bemüht, Materialien zu entwickeln, die bei Raumtemperatur eine hohe Leistung aufweisen.
  • Lebensdauer und Zyklenstabilität: Obwohl Feststoffbatterien theoretisch eine längere Lebensdauer und höhere Zyklenstabilität aufweisen sollten, hat die Praxis gezeigt, dass die Stabilität der Festkörper-Elektroden-Grenzfläche über viele Lade- und Entladezyklen hinweg noch verbessert werden muss.
Diese technologischen Herausforderungen sind Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung, und es werden kontinuierlich Fortschritte gemacht. Trotz dieser Herausforderungen bleibt das Potenzial von Feststoffbatterien enorm, und sie könnten eine Schlüsseltechnologie für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen sein.

Umweltbelastungen und Nachhaltigkeit der Solid-State-Batterie

Die Produktion von Feststoffbatterien bringt, wie viele industrielle Prozesse, eine Reihe von Umweltauswirkungen mit sich. Hier sind einige wichtige Punkte, die hervorzuheben sind:
  • Rohstoffabbau: Die Herstellung von Feststoffbatterien erfordert den Einsatz von Materialien, die oft aus Bergbauaktivitäten stammen. Dieser Prozess kann erhebliche Umweltauswirkungen haben, einschließlich Habitatzerstörung, Wasserverschmutzung und Emissionen von Treibhausgasen. Einige der in Feststoffbatterien verwendeten Materialien, wie Lithium, sind außerdem aufgrund ihrer begrenzten Vorkommen und der wachsenden Nachfrage Gegenstand von Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit.
  • Energieintensive Produktion: Die Herstellung von Feststoffbatterien kann einen erheblichen Energieaufwand erfordern, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Batterietechnologien. Dies kann die COâ‚‚-Bilanz der Batterien erhöhen, vornehmlich wenn die Energie aus nicht erneuerbaren Quellen stammt.
  • Abfall und Recycling: Die Entsorgung von Feststoffbatterien am Ende ihrer Lebensdauer kann eine Herausforderung darstellen. Während das Recycling von Batteriematerialien technisch möglich ist, ist es oft ein komplexer und energieintensiver Prozess. Zudem können einige der in Batterien verwendeten Materialien, wenn sie nicht ordnungsgemäß entsorgt oder recycelt werden, schädliche Auswirkungen auf die Umwelt haben.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Fortschritte in der Technologie und im verantwortungsvollen Ressourcenmanagement dazu beitragen können, diese Auswirkungen zu verringern. Beispielsweise kann der Übergang zu erneuerbaren Energien die CO₂-Bilanz der Batterieproduktion verbessern, und Verbesserungen im Batteriedesign und in den Recyclingverfahren können die Abfallproblematik mindern. Darüber hinaus kann die Weiterentwicklung von Feststoffbatterietechnologien zu Batterien mit längerer Lebensdauer und höherer Effizienz führen, was zu einer insgesamt geringeren Umweltbelastung pro gelieferter Energieeinheit führt.

Automobilhersteller und deren Feststoffbatterie-Pläne

In der Automobilindustrie vollzieht sich derzeit ein Paradigmenwechsel. Getrieben durch die zunehmende Notwendigkeit, die CO₂-Emissionen zu reduzieren und die Nachhaltigkeit zu verbessern, schwenken immer mehr Autohersteller auf Elektromobilität um. Eine Technologie, die in diesem Kontext eine besondere Rolle spielt, ist die Feststoffbatterie. Angesichts ihrer vielversprechenden Eigenschaften, einschließlich höherer Energiedichte, besserer Sicherheitsmerkmale und potenziell längerer Lebensdauer, könnte sie die nächste Generation von Elektrofahrzeugen revolutionieren.
Viele der großen Automobilhersteller haben das Potenzial von Feststoffbatterien erkannt und arbeiten entweder eigenständig oder in Partnerschaft mit Batterieherstellern an der Erforschung und Entwicklung dieser Technologie. Von traditionellen Akteuren wie Toyota und Volkswagen bis hin zu neuen Playern wie Tesla und Nio – die Branche hat ihre Bemühungen intensiviert, um die Feststoffbatterietechnologie für den Massenmarkt bereit zu machen.
Die BMW Group und Solid Power haben sich auf eine Erweiterung der gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsarbeit verständigt. Solid Power hatte bereits Ende 2022 von der vertieften Partnerschaft berichtet. Eine Forschungs- und Entwicklungslizenz ermögliche es BMW, in seinem Cell Manufacturing Competence Center (CMCC) in Parsdorf bei München eine Festkörperzellen-Prototypenlinie basierend auf den Erfahrungen von Solid Power aufzubauen. Als nächsten Schritt auf dem Weg zur langfristigen Industrialisierung plant Solid Power im Jahr 2023 Zellen in Originalgröße zu automotiven Testzwecken an die BMW Group zu liefern. Ein erstes BMW-Demonstrationsfahrzeug mit der Technologie sei noch vor 2025 geplant.
Solid Power ist nicht das einzige Unternehmen, das Feststoffakkus entwickeln und produzieren will. SolidEnergy Systems (SES) möchte ähnliche Zellen herstellen und Hersteller wie General Motors, Hyundai, Honda, Geely und SAIC beliefern. Volkswagen ist eine Partnerschaft mit QuantumScape eingegangen und erwartet ebenfalls, Zellen für Tests in E-Autos zur Verfügung gestellt zu bekommen.
Henrik Fisker hat die Bemühungen seines Elektroauto-Start-ups zur Entwicklung und Produktion einer Festkörperbatterie im März 2021 aufgegeben, sagte der Gründer von Fisker Inc. kürzlich in einem Interview mit The Verge. Bei Festkörperbatterien handle es sich um eine Technologie, „bei der Sie, wenn Sie das Gefühl haben, mit 90 Prozent fast am Ziel angekommen zu sein, erst feststellen, dass die letzten 10 Prozent weitaus schwieriger sind als die ersten 90“, sagte er. „Deshalb haben wir Festkörperbatterien zu diesem Zeitpunkt vollständig fallen gelassen, weil wir einfach nicht sehen, an ein Ende zu gelangen“.
Der US-amerikanische E-Auto-Hersteller Mullen, der gemeinsam mit der Linghang Guochuang Holding auch eine eigene Feststoffbatterie entwickelt, will diese nun erstmals ab dem vierten Quartal 2023 auf amerikanischen Straßen testen – in einem seiner Elektro-Lieferwagen. Die neue Technologie soll vor allem die möglichen Reichweiten deutlich erhöhen.
Nio-Mitbegründer und Präsident Qin Lihong, gibt zu verstehen, dass das 150-kWh-Akkupaket von Nio zunächst nur zum Leasen, dann in Zukunft auch mit einer Kaufoption angeboten werden soll. Eine Markteinführung ist in der ersten Jahreshälfte 2023 zu erwarten. Allerdings sei aufgrund der hohen Kosten die Festkörperbatterie noch weit davon entfernt, in großem Maßstab verfügbar zu sein, so Nio im März 2023.
2028 will der japanische Hersteller Nissan seine Festkörperbatterie launchen und sieht sich dabei in einer „klassenführenden Position„. Das Produktionswerk dafür soll 2025 den Betrieb aufnehmen. Nissans Senior Vice President für Europa David Moss sieht sein Unternehmen bei der Entwicklung dieser Technologie – bei der die Japaner mit der Universität Oxford zusammenarbeien – in einer führenden Position: „Wir wollen die Kosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien um 50 Prozent senken, die Energiedichte verdoppeln und die Ladegeschwindigkeit verdreifachen„.
Der japanische Autobauer Toyota weitet seine Investitionen in die Elektromobilität massiv aus. Bekanntermaßen will der japanische Konzern bis 2030 umgerechnet rund 31 Milliarden Euro investieren.  Die Batterien, die bis 2025 auf den Markt kommen sollen, werden zuerst in Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, da dies ein kleineres Batteriepaket ermöglicht, das weniger kostenintensiv ist, so Toyota-Chefwissenschaftler Gill Pratt über den Einsatz von Feststoffbatterien.
Der Autohersteller VinFast gab im Juli 2022 eine Investition in Höhe von zehn Millionen US-Dollar in ProLogium bekannt, einen Hersteller von Festkörperbatterien. VinFast unterzeichnete zudem eine Absichtserklärung über eine strategische Zusammenarbeit mit ProLogium, um die Versorgung mit Festkörperbatterien zu sichern und die weltweite Expansion intelligenter Mobilitätslösungen zu unterstützen.
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Feststoffbatterie - ein Fazit

Feststoffbatterien stehen zweifelsohne im Rampenlicht als eine revolutionäre Technologie, die das Potenzial hat, die Landschaft der Elektromobilität radikal zu verändern. Sie versprechen eine höhere Energiedichte, was zu einer größeren Reichweite führt – ein entscheidender Faktor, der die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen begrenzt hat. Ebenso verspricht die inhärente Sicherheit von Feststoffbatterien – aufgrund des Fehlens von flüssigen oder gelartigen Elektrolyten, die zu thermischen Runaways führen können – eine wesentlich sicherere Alternative zur aktuellen Lithium-Ionen-Technologie.
Die verlängerte Lebensdauer von Feststoffbatterien, bedingt durch ihre verbesserte Zyklenstabilität, würde nicht nur die Kosten für den Endverbraucher senken, sondern könnte auch positive Auswirkungen auf die Umwelt haben, indem die Notwendigkeit für häufigen Batteriewechsel (hier in Bezug auf Smartphones, Laptops und Co.) und damit verbundene Abfallproduktion reduziert wird.
Es ist wichtig anzuerkennen, dass die Umsetzung dieser vielversprechenden Technologie immer noch vor erheblichen Herausforderungen steht. Dazu gehören technische Probleme wie das Schaffen einer stabilen und zuverlässigen Verbindung zwischen dem festen Elektrolyten und den Elektroden, und organisatorische Hürden wie die Komplexität des Herstellungsprozesses und die Notwendigkeit, die Materialauswahl zu optimieren.
Dennoch gibt es starke Anreize und Antriebskräfte, die Fortschritte in dieser Technologie vorantreiben. Automobilhersteller, Batterieproduzenten und Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt investieren massiv in die Entwicklung und Verbesserung von Feststoffbatterien. Es ist daher zu erwarten, dass wir in den kommenden Jahren bedeutende Fortschritte in Bezug auf die Fertigungstechnik und die Überwindung der aktuellen Herausforderungen sehen werden.
Zusammengefasst, trotz der aktuellen Hindernisse, ist das Potenzial von Feststoffbatterien enorm. Mit ihren vielversprechenden Vorteilen könnten sie die Zukunft der Elektromobilität neu definieren und eine zentrale Rolle in der globalen Bemühung spielen, die CO₂-Emissionen zu reduzieren und eine nachhaltigere Zukunft zu schaffen.

Die letzte Aktualisierung dieser Informationsseite rund um die Feststoffbatterie wurde am 22. Mai 2023 vorgenommen.

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