Der Aufstieg der Festkörperbatterie in Elektrofahrzeugen

Elektroautos verändern die Art und Weise, wie wir uns fortbewegen, rasant, doch sie benötigen weiterhin leistungsfähigere Batterien. Festkörperbatterien versprechen schnellere Ladezeiten, höhere Speicherkapazität und mehr Sicherheit. Globale Unternehmen wie Volkswagen, Nissan und Toyota investieren massiv in diese neue Technologie. In diesem ausführlichen Leitfaden erfahren Sie alles Wissenswerte über Festkörperbatterien – von ihrer Funktionsweise über ihre Vor- und Nachteile bis hin zu ihren Zukunftsaussichten.

Eine kurze Geschichte der Festkörperbatterie

In den 1950er-Jahren entdeckten Forscher, dass einige Kristalle Ionen leiten können, was zur Idee führte, einen Festelektrolyten zu verwenden. Diese frühen Versuche waren zwar recht einfach, führten aber zu neuen Erkenntnissen. In den 1970er- und 1980er-Jahren untersuchten Wissenschaftler Keramiken und Polymere, die möglicherweise den Ionentransport bei Raumtemperatur ermöglichen. Dünnschicht-Festkörperbatterien wurden in kleinen Geräten wie Herzschrittmachern eingesetzt, waren aber noch nicht groß genug für Autos. In den 2000er- und 2010er-Jahren wurden Lithium-Ionen-Batterien zum Standard in Elektronikgeräten und Elektrofahrzeugen .

Was gibt es Neues zu Festkörperbatterien heute?

Heute wetteifern nahezu alle großen Automobilhersteller darum, die Festkörperbatterietechnologie zu kommerzialisieren, die die Art und Weise, wie Elektrofahrzeuge konstruiert, angetrieben und genutzt werden, verändern könnte.

• Toyota plant, bis 2027-2028 Hybridfahrzeuge mit Festkörperbatterien auf den Markt zu bringen, wobei der Fokus auf schnellerem Laden und längerer Batterielebensdauer liegt.

• Nissan entwickelt seine Festkörperbatterietechnologie (ASSB) und errichtet eine Pilotproduktionsanlage in Yokohama, Japan. Das Unternehmen plant, ab 2028 in großem Umfang mit der Produktion dieser Fahrzeuge zu beginnen und geht davon aus, dass Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterie nach Produktionsbeginn so viel kosten werden wie benzinbetriebene Autos.

• QuantumScape präsentierte mit Unterstützung von Volkswagen Prototypzellen, die sich in weniger als 15 Minuten von 10 % auf 80 % aufladen lassen. Dies könnte die Funktionsweise von Elektrofahrzeugen grundlegend verändern.

• Solid Power hat in den USA mit BMW und Ford eine Pilotproduktion gestartet, was das Unternehmen der Markteinführung von Batterien einen Schritt näher bringt.

Die Dynamik in der gesamten Branche nimmt rasant zu. Weltweit werden über 20 Milliarden US-Dollar in die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien investiert, und mehrere Automobilhersteller haben Pilotanlagen oder erste Produktionslinien angekündigt. Die Kommerzialisierung steht nun nicht mehr im Raum, sondern nur noch in den Sternen.

Wann werden Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterien verfügbar sein?

Branchenexperten gehen davon aus, dass die ersten Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterien ab 2027 oder 2028 verfügbar sein werden, zunächst in Oberklasse- und Hybridmodellen. Eine breite Akzeptanz wird Anfang der 2030er-Jahre erwartet, sobald die Produktion zunehmend kostengünstiger wird. Erste Versionen werden voraussichtlich in Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, da kleinere Batterien einfacher zu testen und zu überwachen sind. In den nächsten zehn Jahren könnte die Festkörperbatterietechnologie zum Standard in den meisten Elektrofahrzeugen werden. Mit fortschreitender Massenproduktion könnten Festkörperbatterien folgende Vorteile bieten:

• Bietet eine Reichweite von 497–620 Meilen pro Ladung

• 10-Minuten-Schnellladung aktivieren

• Reduzierung des Gewichts von Elektrofahrzeugen um bis zu 30 %

• Hält über 1000 Meilen, bevor es ersetzt werden muss

Was ist eine Festkörperbatterie?

Festkörperbatterien sind eine fortschrittliche Energiespeicherlösung, die anstelle eines flüssigen oder gelartigen Elektrolyten einen festen Elektrolyten verwendet. Beim Laden und Entladen erleichtert die feste Schicht den Lithiumionen die Bewegung zwischen Anode und Kathode. Dadurch wird die Gefahr von Auslaufen oder Brand ausgeschlossen. Es ist möglich, Lithium-Metall-Anoden einzusetzen, die eine deutlich höhere Energiespeicherkapazität als das Graphit in Lithium-Ionen-Batterien aufweisen.

Woraus besteht eine Festkörperbatterie?

Festkörperbatterien bestehen aus drei Hauptkomponenten:

• Kathode: Wird typischerweise aus Lithiumoxiden wie NMC oder LFP hergestellt.

• Anode: Häufig Lithiummetall, das eine hohe Energiespeicherkapazität bietet.

• Elektrolyt: Eine feste Schicht aus Keramik-, Sulfid- oder Polymerverbindungen, die Ionen leitet.

Die Kombination führt zu einer kompakten, leistungsstarken und sichereren Batteriearchitektur. Zudem können verschiedene Festkörperbatteriematerialien als Elektrolyte verwendet werden, wobei jedes Material Vor- und Nachteile mit sich bringt:

• Oxidbasiert (LLZO): Stabil und sicher, aber spröde

• Sulfidbasiert (LPS): Ausgezeichnete Leitfähigkeit, aber empfindlich gegenüber Feuchtigkeit.

• Polymerbasiert: Flexibel und kostengünstiger, allerdings bei niedrigen Temperaturen weniger effizient.

Die perfekte Balance zwischen Leistung, Kosten und Herstellbarkeit zu finden, bleibt die größte Herausforderung.

Welche Arten von Festkörperbatterien gibt es?

Festkörperbatterien werden hauptsächlich in Bulk- und Dünnschichtbatterien unterteilt. Bulk-Festkörperbatterien verwenden dickere Festelektrolyte und bieten eine hohe Energiespeicherkapazität, die sich für Elektrofahrzeuge eignet. Allerdings ist ihre Herstellung mit höherer Konsistenz schwieriger. Dünnschicht-Festkörperbatterien nutzen ultradünne Schichten , die schnelleres Laden und eine längere Lebensdauer ermöglichen, jedoch eine geringere Energiespeicherkapazität aufweisen. Sie sind ideal für kompakte Elektronik und Wearables, während Bulk-Batterien weiterhin im Fokus zukünftiger Anwendungen für Elektrofahrzeuge stehen.

Was ist eine Halbfestkörperbatterie?

Eine Halbfestkörperbatterie kombiniert feste und flüssige Komponenten zu einem gelartigen Elektrolyten. Dieser Hybridansatz verbessert Sicherheit und Leistung gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien und vereinfacht gleichzeitig den Herstellungsprozess im Vergleich zu reinen Festkörperzellen. Unternehmen wie CATL und NIO erforschen Halbfestkörpersysteme als Brücke zu echten Festkörperbatterien.

Wie funktioniert eine Festkörperbatterie?

Beim Laden wandern Lithium-Ionen durch den Festelektrolyten von der Kathode zur Anode, wo Energie gespeichert wird. Beim Entladen wandern die Ionen zurück und erzeugen einen elektrischen Strom, der den Motor antreibt. Da Festkörperbatterien keine brennbare Flüssigkeit enthalten, sind sie sicherer und stabiler. Zudem reduzieren sie die Dendritenbildung – nadelartige Strukturen, die in herkömmlichen Zellen Kurzschlüsse verursachen können.

Festkörperbatterie vs. Lithium-Ionen-Batterie: Welche ist besser?

Beide Batterietypen nutzen Lithium zur Energiespeicherung und -abgabe, unterscheiden sich aber in ihrem Aufbau. Lithium-Ionen-Batterien verwenden einen flüssigen Elektrolyten, der Ionen schnell transportiert, aber entzündbar ist und mit der Zeit verschleißt. Festkörperbatterien hingegen verwenden einen festen Elektrolyten aus Keramik oder Polymeren.

Festkörperbatterien speichern mehr Energie, laden schneller und sind deutlich sicherer, da sie nicht auslaufen oder Feuer fangen können. Sie haben außerdem eine längere Lebensdauer und funktionieren auch unter schwierigen Bedingungen besser. Lithium-Ionen-Akkus sind nach wie vor die beliebteste Batterieart, da sie günstiger in der Herstellung sind und über eine gut etablierte globale Lieferkette verfügen. In puncto Leistung und Sicherheit sind Festkörperbatterien zwar überlegen, Lithium-Ionen-Akkus sind aber weiterhin günstiger und leichter erhältlich.

Was sind die Vor- und Nachteile von Festkörperbatterien?

Hier sind die Vor- und Nachteile von Festkörperbatterien:

Vorteile von Festkörperbatterien

• Höhere Energiedichte: Mehr Energie in einem kleineren, leichteren Gehäuse bedeutet eine größere Reichweite für Elektrofahrzeuge.

• Schnelleres Laden: Feste Elektrolyte unterstützen einen höheren Stromfluss, wodurch sich die Ladezeiten potenziell halbieren.

• Verbesserte Sicherheit: Keine brennbaren Flüssigkeiten, kein thermisches Durchgehen und weitaus sicherer als Lithium-Ionen-Akkus.

• Längere Lebensspanne: Festkörperzellen können Tausende von Ladezyklen mit minimalem Kapazitätsverlust überstehen.

• Kompaktes Design: Durch den Verzicht auf schwere Flüssigkeitssysteme können leichtere und kleinere Akkupacks verwendet werden.

• Geringerer Wartungs- und Kühlbedarf: Festkörperbatterien erzeugen weniger Wärme, wodurch der Bedarf an komplexen Kühlsystemen reduziert wird.

Nachteile von Festkörperbatterien

• Hohe Herstellungskosten: Festelektrolyte erfordern eine präzise Fertigung und spezielle Materialien, was die Kosten in die Höhe treibt.

• Herausforderungen hinsichtlich der Skalierbarkeit: Die Herstellung gleichmäßiger, fehlerfreier Festkörperschichten im Gigafabrikmaßstab bleibt schwierig.

• Temperaturbeschränkungen: Einige Festelektrolyte funktionieren bei Kälte schlecht, was die Leitfähigkeit beeinträchtigt.

• Dendritenwachstumsrisiko: Unter bestimmten Bedingungen können sich dennoch Dendriten bilden und die feste Schicht beschädigen.

• Eingeschränkte Verfügbarkeit: Die Serienproduktion wird erst in 3-5 Jahren möglich sein, daher sind diese Batterien derzeit in den meisten kommerziellen Elektrofahrzeugen nicht verbaut.

Zukunftsaussichten: Umwelt- und Wirtschaftsauswirkungen von Festkörperbatterien

Festkörperbatterien bieten eine sauberere und nachhaltigere Zukunft für Elektrofahrzeuge . Der Wechsel von flüssigen Elektrolyten zu festen Materialien eliminiert schädliche Lösungsmittel, verringert die Brandgefahr und verlängert die Lebensdauer der Batterien. Dies führt zu weniger Batteriewechseln und weniger Abfall. Die höhere Energiedichte ermöglicht es Elektrofahrzeugen, mit kleineren und leichteren Akkus größere Entfernungen zurückzulegen. Dadurch sinkt der Bedarf an Rohstoffen und die gesamten CO₂-Emissionen werden reduziert.

Aus wirtschaftlicher Sicht sind Festkörperbatterien aufgrund der innovativen Materialien und komplexen Produktionsmethoden nach wie vor teuer in der Herstellung. Mit steigender Produktion und technologischem Fortschritt werden die Kosten voraussichtlich bis Ende der 2020er-Jahre deutlich sinken. Diese Entwicklung könnte Elektrofahrzeuge zugänglicher und umweltfreundlicher machen und so maßgeblich zu mehr Umweltschutz und Energieeffizienz im gesamten Automobilsektor beitragen.