Feststoffbatterie: Bis zu 100.000 Ladezyklen bei höherer Energiedichte!
Es braucht Innovation und Investition!
Batteriespeicher bilden ein essenzielles Puzzle-Teil bei dem Umbau unseres Energiesystems. Für eine saubere, sichere und bezahlbare Energieversorgung sind Batteriespeicher in allen Sektoren in unterschiedlichem Maße ein notwendiges Mittel. Egal ob Stromspeicher für Photovoltaikanlagen Daheim, große Batteriespeicher für netzdienliche Ausgleichsarbeit oder energiedichte Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen, die Speicherung der Erneuerbaren Energien ist ein wesentlicher Erfolgsfaktor für eine gelungene Energiewende.
Besonders bei der Dekarbonisierung des Transport- und Verkehrssektors braucht es für die Elektromobilität leistungsfähige und kosteneffiziente Speicherlösungen. Die Lithium-Ionen-Batterien stellen die „State-of-the-Art“ Technologie dar, weisen jedoch grundsätzliche Nachteile im Bereich Umweltverträglichkeit und Sicherheit auf.
Der prognostizierte Speicherbedarf für ein zukunftsfähiges Energiesystem in der EU liegt nach Angaben der EU bei rund 108 GW in 2030. Das Analytics und Consulting Unternehmen Rystad Energy erwartet einen Speicherbedarf von rund 400 GW in 2050. In 2020 lag die Kapazität bei ca. 40 GW, so der Head of Power and Gas Markets von Rystad Energy, Carlos Torres-Diaz im Interview mit der Datenplattform Montel.
Feststoffbatterien: eine große Wette auf die Zukunft!
Während herkömmliche Batterien (LiFePo4 oder Blei-Säure) auf Flüssigelektrolyten basieren, kommen bei Feststoffbatterien Oxid-, Sulfid- und Polymer-Elektrolyte zum Einsatz. Der englische Begriff für Feststoffbatterie ist Solid-State Battery (kurz: SSB). Dünne, einzelne, feste Ionenleiter liegen aneinander und bilden so den Festkörper.
Die besondere Bauweise und die verwendeten Materialien ermöglichen vielversprechende Vorteile gegenüber herkömmlichen Speichertechnologien mit Flüssigelektrolyten. Das Potential der Feststoffbatterien ergibt sich u. a. aus den Leistungsparametern Energiedichte, Sicherheit, Lebensdauer, Kosten und Schnellladefähigkeit.
- Höhere Sicherheit
- Keine externe Kühlung notwendig
- Geringer Rohstoffeinsatz
- Hohe Energiedichte
- Höhere Ladezyklus-Festigkeit
- Höhere Schnellladeleistung möglich
„Festkörperbatterien sind eine große Wette auf die Zukunft – der Einsatz lohnt!“, so der Koordinator des BMBF-Kompetenzclusters Fest-Batt Prof. Dr. Jürgen Janek von der Justus-Liebig-Universität Gießen.
„Heißleiter“: feuerfest und sicher
Feststoffbatterien kommen ganz ohne brennbare Flüssigkeiten aus. Übereinander angeordnet sind die keramischen Schichten aus Fest-Elektrolyten schwer entflammbar. Die Gefahr vor „thermal runaways“ und (Selbst-)Überhitzung ist im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus mit Flüssigelektrolyten minimal. Feststoffbatterien zeichnen sich durch eine hohe Temperaturfestigkeit aus.
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.
Drei wesentliche Technologien im Vergleich
Die Feststoffbatterien unterscheiden sich primär durch die verwendeten Festelektrolyte. Hier sind drei wesentliche zu nennen: Polymer-Elektrolyte, Oxid-Elektrolyte und Sulfid-Elektrolyte.
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.
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.
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.
Beständige Leistung trotz Schnellladungen
Feststoffbatterien weisen eine höhere Lebensdauer im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien auf. So lassen sie theoretisch bis zu 100.000 Ladezyklen zu, über 33-fach mehr als bei Lithium-Ionen-Batterien. Die Zyklusfestigkeit und Langlebigkeit zeigen sich auch in der Praxis.
Die Volkswagen AG (VW) arbeitet seit 2019 mit dem einstigen Start-Up der Stanford University QuantumScape Corporation zusammen. 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.
Auch Toyota und Nio arbeiten an Feststoffbatterien für Elektrofahrzeuge. Nach Angaben Toyotas 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 hingegen die ersten vollelektrischen 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.
Feststoffbatterien noch in Grundlagenforschung
Forschung und Entwicklung arbeiten mit großem Interesse an Batterien mit Feststoff-Elektrolyten. In Deutschland arbeiten 20 Forschungsinstitute unter dem Schirm der Fraunhofer-Gesellschaft an der Entwicklung von innovativen Batteriesystemen.
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-Institut für System- und Innovationsforschung (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.
Bierke, P., Schiemann, M. (2013) Akkumulatoren: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft elektrochemischer Energiespeicher, Herbert Utz Verlag.
