BATTERIEN/ZELLEN
Aktueller Entwicklungsstand
Sogenannte Festkörperbatterien (engl. solid-state battery – SSB) gelten bereits seit Jahren als potenzieller Meilenstein in der Batterietechnologie. Entsprechend intensiv werden sie weltweit erforscht – insbesondere in der Automobilindustrie und bei ihren Zulieferern. Man erhofft sich dadurch vor allem Fortschritte in der Fahrzeugreichweite von Elektroautos. Im Vergleich zu den derzeit führenden Lithium-Ionen-Batterien (LI), die allmählich an physikalische Leistungsgrenzen stoßen, könnten SSB deutlich höhere Energiedichten von über 350 Wh/kg erreichen – LI-Batterien liegen hingegen typischerweise unter 300 Wh/kg.
Zudem bieten Festkörperbatterien potenziell höhere Sicherheit – kein Auslaufen und eine geringere Anfälligkeit für thermisches Durchgehen – sowie eine längere Lebensdauer durch geringere Degradation. In der Praxis sind jedoch noch einige Hürden zu überwinden hinsichtlich Ionenleitfähigkeit, Materialverträglichkeit und Stabilität sowie Industrialisierbarkeit der Produktion – und damit Kosten pro Ladevorgang. Es bleibt abzuwarten, inwieweit sich Solid-State-Batterien gegenüber der etablierten und noch nicht vollends ausgereizten LI-Technologie durchsetzen können.
Die perfekte Materialkombination finden
Was macht eine Festkörperbatterie aus und wie unterscheidet sie sich von herkömmlichen Batterien? SSB verwenden statt eines flüssigen oder gelartigen Elektrolyten (einer elektrisch leitfähigen Substanz) einen festen Elektrolyten. Es gibt verschiedene Kandidaten für Feststoff-Elektrolyte, die jeweils spezifische Vor- und Nachteile haben. Besonders vielversprechend sind die folgenden Typen:
- Polymer-Elektrolyte: Werden bereits in Elektrobussen eingesetzt, sind relativ kostengünstig, bieten jedoch eine geringe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur, was höhere Betriebstemperaturen erfordert.
- Sulfid-Elektrolyte: Hohe Leitfähigkeit, aber geringere elektrochemische Stabilität. Herausforderungen bestehen bei Industrialisierung und Kosten. Markteintritt wird zwischen 2025 und 2030 erwartet.
- Oxid-Elektrolyte: Hohe elektrochemische Stabilität bei mittlerer Leitfähigkeit, aber schwieriger zu verarbeiten. Attraktiv in Kombination mit anderen Elektrolyten. Markteintritt ebenfalls zwischen 2025 und 2030 erwartet.
Festkörperbatterien erfordern teilweise andere Komponenten und ändern den gesamten Aufbau der Batterie. Anstelle von Graphit-Anoden werden Lithium- oder Silizium-Anoden verwendet. Es kommt stets auf das Gesamtkonzept aus Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt(en) an. Aktuell werden unzählige Materialien und Materialkombinationen erforscht, um das vielversprechendste Konzept zu finden, das sich auch am besten umsetzen lässt. Einige Hersteller haben bereits SSB-Zellen im Pouch-Format vorgestellt und kündigen nach und nach größere Produktionskapazitäten an.
Sind Hybridbatterien der nächste Entwicklungsschritt?
Festkörperbatterien stellen keinen disruptiven, sondern einen evolutionären Schritt in der Batterietechnologie dar. So hat die Forschung der letzten Jahre gezeigt, dass möglicherweise nicht reine Festkörperbatterien (all-solid-state batteries – ASSB) der Schlüssel sind, sondern Hybridkonzepte, die mit verschiedenen Elektrolyten auf Anoden- und Kathodenseite operieren – man spricht in diesem Fall von Anolyt und Katholyt. Vielversprechend sind sowohl Fest-flüssig- als auch Fest-fest-Kombinationen, zum Beispiel von Sulfid- und Oxid-Elektrolyten.
Ob es gelingt, die technische Komplexität bei SSB zu überwinden und sie industriell in großem Maßstab zu vertretbaren Kosten zu produzieren, bleibt abzuwarten. Letztlich müssen sich Festkörperbatterien am Markt gegenüber der etablierten LI-Technologie behaupten. Dann steht auch einem Einsatz bei stationären Anwendungen wie Smartphones und Elektrogeräten nichts im Wege.