Festkörperbatterien in E-Autos
09.10.2024

Festkörperbatterien für eine leistungsfähigere und sicherere E-Mobilität

Entgegen anderslautenden Studien treibt viele immer noch die Angst um, dass E-Autos leichter und dann unrettbar in Flammen aufgehen können. Feststoff- statt Flüssigkeitselektrolyte könnten diesem und noch manch anderen Vorbehalten den Wind aus den Segeln nehmen.

 

Festkörperbatterien sind laut des Fraunhofer IFAM ein wichtiger Baustein für die Elektrifizierung der Mobilität. Denn sie sind aufgrund der Fest- statt der brennbaren flüssigen Elektrolyte nicht nur sicherer, sondern ermöglichen auch mehr Reichweite und kürzere Ladezeiten als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Neue Zellkonzepte, wie sie etwa die Fraunhofer-Institute IFAM und ISE entwickeln, versprechen zusätzlich höhere Energiedichten und somit leichtere und kompaktere Batterien.

 

Auch Festkörper-Akkus basieren auf der Lithium-Ionen-Technologie. Statt flüssiger organischer Elektrolyte, wie sie normalerweise zum Einsatz kommen, bauen Festkörperbatterien aber auf feste Elektrolyte auf der Grundlage von Polymeren und Sulfiden.

 

Das Fraunhofer ISE (für Solare Energiesysteme) konzentriert sich bei den eigenen Forschungsarbeiten zu Festkörperbatterien nach eigenen Aussagen auf die Verwendung von sulfidischen Materialien. Das Fraunhofer IFAM (für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung) arbeitet an polymeren Festkörperbatterien. Diese basieren meist auf thermoplastischen Systemen und bieten dem Institut zufolge den Vorteil, dass man bei der Herstellung auf lange erprobte Fertigungstechniken wie Extrusion, Spritzguss oder Kalandrieren (das Führen über mehrere beheizte Walzen) zurückgreifen kann.

 

Sulfide besonders gut geeignet

Die große Herausforderung sei aber, dass die betreffenden Materialien etwas weniger leitfähig und somit auch weniger leistungsfähig sind. Festkörperbatterien auf Basis von sulfidischen Ionenleitern seien dagegen genauso leitfähig wie solche mit flüssigen Elektrolyten und somit auch für Hochleistungsanwendungen geeignet. Sie sind zudem relativ weich, womit sie auch eine Fertigung über klassisch, lösungsmittelbasierte Beschichtungstechniken ermöglichen. Der Nachteil ist laut Fraunhofer IFAM aber, dass die Materialien instabil gegenüber Feuchtigkeit sind.

Das Fraunhofer ISE konzentriert sich auf sulfidische Materialien, weil nur diese Materialklasse ohne Zugabe von Flüssigelektrolyten eine hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeit bei Raumtemperatur erlaube, und das kombiniert mit einer geringen kristallinen Dichte. Diese sei schließlich entscheidend, um hohe Energiedichten (von über 400 Wh∙kg-1 / > 1000 Wh∙l-1; Wh = Wattstunde) mit konventionellen Kathodenmaterial wie solchen auf Nickel-Mangan-Cobalt-Basis herzustellen.

CAD-Model des Fraunhofer-ISE-Demonstrators für eine mehrlagige Festkörperbatteriezelle. (Bildquelle: © Fraunhofer ISE / Foto: Manuel Bergmann)

Herkömmlich Li-Ion-Batterien für E-Autos kamen im zweiten Quartal 2023 auf Energiedichten von etwa 280 Wh/kg. Eine chinesischer Forschungsgruppe um CATL hat damals laut Golem einen Lithium-Ionen-Akku mit einer Energiedichte von 711 Wh/kg und 1.654 Wh/l im ersten Ladezyklus vorgestellt. Der Trick bestand darin, den hohen Nickelanteil durch größere Mengen Lithium und Mangan zu ersetzen.

 

Energiedichten bis 500 Wh/kg möglich

Das Fraunhofer IFAM spricht sogar von Energiedichten von bis zu 500 Wh pro Kilogramm, die möglich sind, wenn man das in den Lithium-Ionen-Batterien konventionell eingesetzte, brennbare organische Elektrolyt durch ionenleitende, feste Materialien ersetzt. Damit soll auch eine längere Lebensdauer einhergehen, vom geringeren Platzbedarf in den E-Autos ganz abgesehen.

 

Einsatzmöglichkeiten sollen neben elektrisch fahrenden Pkw künftig auch Flugtaxis und Drohnen sein. Das Fraunhofer IFAM arbeitet im Rahmen des OEM-geführten Verbundprojektes ALANO auch daran mit, neue Anodenkonzepte für Feststoffbatterien zu entwickeln.

 

Das Fraunhofer ISE fertigt für das 3-Komponentendesign auch Kathoden und Separatoren. Letztere sollen sich im 2-Komponentendesign künftig ultradünn auch direkt auf die Elektrode aufbringen lassen. Mit neuartigem Kathodenmaterial konnte das chinesische Team um CATL im Labor sogar Energiedichten von 1.100 Wh/kg oder sogar 1.288 Wh/kg erreichen.

 

Ein Fahrzeughersteller, der schon auf Festkörperbatterien setzt, ist Mercedes-Benz. Der US-Partner FactorialEnergy hat im September 2024 gerade erst das Projekt einer gemeinsam entwickelten Festkörperbatterie namens Solstice vorgestellt. Diese soll zwar erst gegen Ende des zweiten Jahrzehnts marktreif sein, aber eine Energiedichte von 450 Wh/kg sowie eine um bis zu 80 Prozent höhere Reichweite versprechen und das Gewicht der E-Autos „erheblich“ reduzieren.

 

Quelle Titelbild: Unsplash / Ernest Ojeh