Letzte Aktualisierung: 05.03.2024

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Feststoffbatterie: Energiedichte Stromspeicher der Zukunft?!

Batteriespeicher bilden ein essenzielles Puzzle-Teil bei dem Umbau unseres Energiesystems. Die Lithium-Ionen-Batterien stellen die „State-of-the-Art“ Technologie dar, weisen jedoch grundsätzliche Nachteile auf. Feststoffbatterien sind in ihrem Aufbau mit konventionellem Lithium(Li)-Ionen-Batterien vergleichbar. Der namensgebende Unterschied ist der feste Elektrolyt anstelle einer flüssigen Variante.

Drei entscheidende Vorteile gehen damit einher:

  1. Feststoffbatterien sind kleiner und daher gut geeignet für den Einsatz in der E-Mobilität
  2. da keine organischen Verbindungen im Elektrolyten vorkommen, enthalten sie deutlich weniger brennbares Material, und
  3. sie kommen ohne umweltschädliche perfluorierte Verbindungen aus – also ohne sogenannte Ewigkeitschemikalien, die kaum abbaubar sind und sich in Gewässern und Böden ansammeln.

Das Wichtigste in Kürze

  • Feststoffbatterien verwenden Festelektrolyte, während herkömmliche Batterien (LiFePo4 oder Blei-Säure) auf Flüssigelektrolyten basieren.
  • Es gibt Feststoffbatterien mit Oxid-, Sulfid- und Polymer-Elektrolyten.
  • Die höhere Sicherheit und eine höhere Energiedichte der Batterie stellen die zwei größten Vorteile von Feststoff-Akkus dar.
  • Feststoffakkus lassen bis zu 100.000 Ladezyklen zu, über 33-fach mehr als eine Lithium-Ionen-Batterie.
  • Feststoffbatterie Auto: mit Oxid-Elektrolyten finden die Speicher größte Anwendung in der Automobilindustrie.
  • Forscher:innen rechnen ab 2025 mit serienreifen Feststoffbatterien und zwischen 2025 und 2030 mit einem erheblichen Produktionsanstieg.
  • Die Kosten für Feststoff-Batterien sind um einVielfaches höher als für Lithium-Ionen-Batterien.
  • Die Feststoff-Batterien stecken noch in der Grundlagenforschung.
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Begriffserklärung: Feststoffbatterie

Die Batterietechnologie verwendet Festelektrolyte. Während herkömmliche Batterien (LiFePo4 oder Blei-Säure) auf Flüssigelektrolyten basieren, kommen bei Feststoffbatterien Oxid-, Sulfid- und Polymer-Elektrolyte zum Einsatz. Der englische Begriff für einen Feststoffakku ist Solid-State Battery (kurz: SSB).

Dünne, einzelne, feste Ionenleiter liegen aneinander und bilden so den Festkörper. Die Batterieschichten werden in unterschiedlichen Verfahren übereinander angeordnet. Mit der Feststoffbatterie kann, anders als bei Batteriezellen mit Flüssigelektrolyten, eine homogene Stromverteilung erreicht werden.

Vorteile von Feststoffbatterien

Das Potential von Batteriespeichern ergibt sich u. a. aus den Leistungsparametern Energiedichte, Sicherheit, Lebensdauer, Kosten und Schnellladefähigkeit. Die Vorteile einer Feststoffbatterie sind vielversprechend und ergeben sich im Vergleich zu konventionellen Batterien mit Flüssigelektrolyt aus:

  • Höhere Sicherheit
  • Keine externe Kühlung notwendig
  • Geringer Rohstoffeinsatz
  • Geringer Raumbedarf
  • Höhere Ladezyklus-Festigkeit
  • Höhere Schnellladeleistung möglich

Die Vorteile von Feststoffbatterien ergeben sich durch die Bauweise und die verwendeten Materialien.

Die Festelektrolyten sind als keramische Schichten schwer entflammbar. In Folge einer (Selbst-)Überhitzung und der einsetzenden Kettenreaktion (Thermal Runaway) mit Gasbildung lösen sich die Schichten bei herkömmlichen Batterien. Konventionelle Lithium-Ionen-Batterien verwenden Flüssigelektrolyte. Durch einen Kurzschluss der Elektroden oder durch einen äußerlichen Einfluss können die Batterien entflammen.

Im Vergleich dazu ist eine Feststoffbatterie äußerst temperaturfest. Die Leitfähigkeit der festen Ionenleiter steigt bei einigen Bauweisen sogar mit zunehmender Temperatur. Man bezeichnet die Ionenleiter in einer Feststoffbatterie auch als Heißleiter. Zusätzlich zur besseren Leitfähigkeit sinkt die Verlustleistung durch Wärmeabgabe.

Da in einer Feststoffbatterie keine brennbaren Flüssigkeiten enthalten sind und keine Gefahr der Selbstüberhitzung besteht, ist eine höhere Sicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyten gegeben.

Feststoffbatterien lassen bis zu 100.000 Ladezyklen zu, über 33-fach mehr als eine Lithium-Ionen-Batterie. Die Festelektrolyte erlauben ebenso höhere volumetrische und gravimetrische Energiedichte der Batterien. Der Effekt: eine Feststoffbatterie braucht weniger Platz, zum Beispiel im Auto oder in elektrischen Consumer-Geräten.

Des Weiteren ist die Form und Gestalt einer Feststoffbatterie bei der Zusammensetzung der dünnen Batterieschichten beliebig gestaltbar. Die verwendeten Materialien weisen im Vergleich zu den Flüssigelektrolyten einige Vorteile auf, sodass sie in nahezu beliebigen Formen hergestellt werden können.

Experten-Wissen Energiedichte: Die volumetrische Energiedichte Ev gibt die Energiemenge pro Raumeinheit einer Batterie an und wird in Wh/m3 gemessen. Die Energiedichte berechnet sich nach folgender Formel, wobei Q die Ladungsmenge (in Amperestunden), U die Zellspannung (in Volt) und V das Volumen (in m3) der Zelle ist.

\(E_v=\frac{Q\cdot U}{V}\)

Feststoffakkus im Überblick

Die Feststoffbatterien unterscheiden sich primär durch die verwendeten Festelektrolyte. Hier sind drei wesentliche zu nennen: Polymer-Elektrolyte, Oxid-Elektrolyte und Sulfid-Elektrolyte.

Polymer-Elektrolyt Feststoffbatterie

Polymer-Elektrolyte sind zwischen Fest- und Flüssig-Elektrolyten einzuordnen. Während Gel-Elektrolyte eher zu den Flüssigelektrolyten gehören, zählen Polymer-Elektrolyte eher zu den Festelektrolyten. Die klaren Vorteile der Feststoffbatterie mit Polymer-Elektrolyten sind die Kosten, die Verarbeitung und die Flexibilität des Materials.

Ein wesentlicher Nachteil ist, dass die Polymer-Festelektrolyten erst bei einer Temperatur zwischen 50 °C und 80 °C eine entsprechende Leitfähigkeit erreichen. Der Einsatz von Polymer-Feststoffbatterien ist demnach begrenzt.

Forscher der Universität Bayreuth haben 2023 hingegen einen sehr dünnen Festelektrolyten vorgestellt, der mit einem Verbundwerkstoff aus einem Polymer und keramischen Nanofasern beschichtet wurde. Auf der porösen Oberfläche der Kathode füllt es die winzigen Hohlräume aus und bildet so einen Festelektrolyten, der einen stabilen Kontakt zur Kathode hat. Indem der Elektrolyt die Kathode wie eine Hülle umschließt entsteht eine deutlich verbesserte Grenzfläche, die überdies den Vorteil hat, dass sie die Ionen in der Kathode aktiviert.

Aufgrund dieser Grenzflächenmodifikation steigert der neue Festelektrolyt sowohl die Energiedichte als auch die Energiespeicherleistung der Batterien. Ein weiterer großer Vorteil dieses ultradünnen, mit der Kathode wechselwirkenden Festkörperelektrolyten besteht darin, dass er die Betriebssicherheit der Batterien enorm erhöht.

Derzeit werden Polymer-Festelektrolyten in einer Kleinserie von Elektrobussen eingesetzt.

Oxid-Elektrolyt Feststoffbatterie

Bei der Zusammensetzung von Oxid-Elektrolyten werden neben Sauerstoff und Lithium auch Titanium, Lanthan, Germanium, Phosphor, Aluminium, Zink und Zirkonium verwendet. Die größten Vorteile von Feststoffbatterien mit Oxid-Elektrolyten sind die hohe mechanische und elektrochemische Stabilität. Das vereinfacht die Verarbeitung und ermöglicht Kombinationen mit Kathodenmaterial für Hochspannung.

Feststoffbatterien mit Oxid-Elektrolyten sind nicht nur unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen, sie verbessern sogar ihre Leitfähigkeit unter Temperatur. Die hohe Festigkeit der Materialien sorgt bei der Verarbeitung für die größten Herausforderungen. Die Herstellung ist insofern aufwendig und teuer. Ein weiterer Nachteil sind Spannungsrisse, die durch die Ausdehnung unter Temperatur und der hohen Steifigkeit der Materialien auftreten können.

Sulfid-Elektrolyt Feststoffbatterien

Die Leitfähigkeit von Lithium-Ionen ist bei Feststoffbatterien mit Sulfid-Elektrolyten besonders hoch (100 %). Ein weiterer Vorteil ist die Plastizität, die eine flexible und vergleichsweise günstige Verarbeitung erlaubt. Zudem ist die Kompensationsleistung von Sulfid-Elektrolyten in Feststoffbatterien durch die Plastizität bei Volumenveränderungen besserals bei festen Oxid-Elektrolyten.

Ein wesentlicher Nachteil ist die Empfindlichkeit von Sulfid-Elektrolyten gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff. Die Herstellung von Feststoffbatterien muss hier unter trockenen Bedingungen passieren, da sonst giftiges Wasserstoffsulfid (H2S) entsteht.

Feststoffbatterien Toyota & Co: Marktpotential und Anwendungsfelder

Auf Basis von Oxid-Elektrolyten finden Feststoffbatterien in Autos voraussichtlich die erste und größte Anwendung in der E-Automobilindustrie. In Betrachtung der erforderlichen Kapazität stellt der Einsatz von Feststoffbatterien im Verkehrssektor das größte Marktpotential dar. Aufgrund der Lerneffekte und den damit einhergehenden sinkenden Technologiekosten sind der Einsatz von Feststoffakkus ab 2035 auch in LKWs, stationären Speichern und im Luftverkehr denkbar.

Die Anforderungen und Prüfverfahrenfür Feststoffbatterien mit Sulfid-Elektrolyten sind vergleichsweise gering, sodass der erste Einsatz der Feststoffbatterien im Endkunden-Bereich in Smartphones, Laptops und Elektrowerkzeugen zur erwarten ist. Toyota ist eines der führenden Unternehmen mit eigener Forschung zu Feststoffbatterien. Nach Angaben des Unternehmens sollen in 2025 die ersten Hybridfahrzeuge von Toyota Feststoff-Akkus nutzen. Der Hersteller startet vorerst nur mit Hybriden, da die Batterietechnologie noch erheblich teurer als Lithium-Ionen-Akkus sein wird.

Das chinesische Unternehmen Nio kündigt die ersten Feststoffbatterie-Autos für 2024 an. Der Nio ET7 mit Feststoffbatterie soll dann 1.000 km Reichweite aufweisen. Die energiedichte Feststoffbatterie soll 685 PS und 850 Nm Drehmoment ermöglichen.

Die Volkswagen AG (VW) arbeitet seit 2019 mit dem einstigen Start-up der Stanford University QuantumScape Corporation zusammen. Ziel der Kooperation ist die Förderung der Forschung, Produktion und Vermarktung der Feststoffbatterien.

Als innovatives Forschungsunternehmen entwickelt QuantumScape Feststoffbatterien, die besonders gute Schnellladeleistungen aufweisen. Zu Beginn des Jahres 2022 veröffentlichte das Unternehmen Testergebnisse zu den QuantumScape-Feststoffbatterien. Demnach wiesen die Lithium-Metall-Feststoffbatteriezellen nach 400 Schnellladezyklen von jeweils 10 auf 80 % noch 80 % der Feststoffbatterie-Leistung auf. Die Schnellladung dauerte jeweils 15 Minuten.

2025 sollen die ersten Feststoffbatterien von VW und QuantumScape in Salzgitter produziert werden. So möchte der deutsche Automobilkonzern eine unabhängige Wertschöpfungskette für die Batteriespeicher der Zukunft schaffen. Denn auch Tesla, Toyota, Nio, Samsung und Co. forschen an den Feststoffakkus.

Entwicklung und Ausblick: Sind Feststoffakkus in Autos die Zukunft?

Forschung und Entwicklung arbeiten mit großem Interesse an Batterien mit Feststoff-Elektrolyten. In Deutschland schlossen sich 20 Forschungsinstitute zu einer sog. Fraunhofer-Allianz Batterien zusammen. Unter dem Schirm der Fraunhofer-Gesellschaft sollen die Synergien der Institute gebündelt und so die Entwicklung von innovativen Batteriesystemen getrieben werden.

Der Leiter der Allianz, Dr. Kai-Christian Möller, sieht große Potentiale in der Feststoffbatterie-Technologie, allerdings werden „in den nächsten 15 Jahren“ weder die Feststoffbatterien noch eine "andere Technologie die notwendige Reife haben, um die Lithium-Ionen-Technologie im Bereich Elektrofahrzeuge flächendeckend ablösen zu können." Die Feststoff-Batterie befindet sich noch in "der experimentellen Grundlagenforschung", so Möller abschließend.

In einem Interview mit der MTZ ordnet Prof. Dr. Philippe Vereecken, wissenschaftlicher Leiter des Forschungszentrums imec und Professor an der Universität von Leuven, die Entwicklungsphasen von Feststoffbatterien ein.

Vereecken rechnet damit, dass die Energiedichte der Feststoffbatterien "etwa im Jahr 2030 die von Flüssigzellen überholen wird". Die Serienreife hingegen soll bereits 2025 erreicht werden. Auch das Fraunhofer ISI erwartet ein starkes Wachstum der Produktions- und Verkaufszahlen zwischen 2025 und 2030. Dann sollen die Feststoff-Batterien mit Oxid- und Sulfid-Elektrolyten kommerziell erhältlich sein.

Das Fraunhofer ISI sieht für 2030 eine gesamte Produktionskapazität bei Feststoffbatterien mit Oxid- und Sulfid-Elektrolyten von 15 bis 55 Giga-Wattstunden (GWh). 2035 sollen dann zwischen 40 und 120 GWh möglich sein. Im Vergleich: die zu erwartende Produktionskapazität bis 2035 erreicht rund 2 % der Kapazität für Lithium-Ionen-Batterien 2035.

Bereits heute werden Feststoffakkus in einer Kleinserie von Elektrobussen eingesetzt. Diese basieren jedoch auf Polymer-Elektrolyten. Der Nachteil hier ist die notwendige Betriebstemperatur 50 °C bis 80 °C. Erst dann kann die Leitfähigkeit der Lithium-Ionen in den Festelektrolyten sinnvoll genutzt werden. Die Polymer-Feststoffbatterien eignen sich demnach eher für den Einsatz in regelmäßigen und langen Anwendungsprozessen, nicht für den Einsatz in Elektroautos.

Preis und Kosten einer Feststoff-Batterie

Die Herstellungskosten sind noch um ein Vielfaches höher als die für konventionelle Lithium-Ionen-Batterien. Die Produktionsschritte von Feststoff-Akkus ähneln eher denen der Halbleiter-Industrie als denen der konventionellen Batterieindustrie. Obwohl einige Innovationstreiber wie Toyota, Samsung, Nio und Tesla Feststoffbatterien kommerziell anbieten wollen, steckt die Entwicklung der Technologie noch in der Grundlagenforschung. Die Tabelle zeigt die vom Fraunhofer ISI prognostizierten Preise für Feststoff-Batterien bis 2035.

Tabelle: Die prognostizierten Preise für Feststoffbatterien aus der Solid State Battery Roadmap 2035+ des Fraunhofer ISI.
Zeitraum Preis pro kWh
2021/22 90 – 175 €
2025 60 – 130 €
2030 45 – 105 €
2035 45 – 90 €
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Häufige Fragen (FAQ) zu Feststoffbatterien

Was sind Feststoffbatterien?

Es handelt sich um eine Batterietechnologie, welche Festelektrolyte verwendet. Während herkömmliche Batterien (LiFePo4 oder Blei-Säure) auf Flüssigelektrolyten basieren, kommen bei Feststoffbatterien Oxid-, Sulfid- und Polymer-Elektrolyte zum Einsatz.

Was sind die Vorteile von Feststoffbatterien?

Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Batterietechnologien sind eine höhere Sicherheit, geringerer Bedarf an Rohstoffen, höhere Energiedichte, hohe Ladezyklusfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Schnellladeleistung.

Sind Feststoffbatterien besser als Lithium-Ionen-Batterien?

Feststoffbatterien sind sicherer, energiedichter und damit leistungsstärker, langlebiger und ressourcenschonender. Wenn die Kosten für Feststoff-Batterien wettbewerbsfähig werden, können die besseren Eigenschaften der Feststoffbatterie realisiert werden.

Wann werden Feststoffbatterien serienreif?

Das Fraunhofer ISI rechnet ab 2025 mit den ersten Feststoffbatterien in Serie. Die Batterie-Technologie steckt derzeit noch in der Grundlagenforschung.

Eignen sich Feststoffbatterien für Solaranlagen?

Derzeit befinden sich Feststoffbatterien in der Grundlagenforschung, sodass keine marktreifen Solarspeicher angeboten werden. Eine Feststoffbatterie ist wesentlich teurer als herkömmliche Speichertechnologien. Die kostensteigernden Vorteile von Feststoffbatterien wie Energiedichte und Schnellladeleistung sind für private Haushalte zweitrangig. Die zukünftigen Anwendungsfelder liegen im Verkehrssektor.  

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