Feste Favoriten

Das Manko der flüssigen Elektrolyte: Sie können auslaufen, etwa nach einem Unfall oder unsachgemäßen Gebrauch der Batterie – und sich entzünden. „Denn die flüssigen Elektrolyte sind grundsätzlich brennbar“, sagt Janek. „Das macht natürlich ein inhärentes Risiko aus, wenn man nicht ausreichende Sicherheitsvorkehrungen trifft.“ Deshalb haben die Forscher bei der Entwicklung von Feststoffbatterien eine vermeintlich höhere Sicherheit als wichtigen Vorteil im Visier. Da solche Energiespeicher nur aus festen Materialien bestehen, kann keine Substanz auslaufen und sich dann entzünden – weder durch Überlastung noch durch Beschädigung. Allerdings stehen tiefgehende Sicherheitstests noch aus.

Doch das allein erklärt nicht das große Interesse der Industrie. So wirbt der japanische Konzern Toyota mit „mehr Reichweite und schnellerem Laden“ und sieht die Feststoffbatterie als „Energiespender der Zukunft“. Der Autohersteller hatte im Sommer 2023 angekündigt, 2027 die Serienfertigung von Fahrzeugen mit Feststoffbatterie zu starten – diese Ankündigung aber später abgeschwächt. Der südkoreanische Konzern Samsung hat mittlerweile ebenfalls Feststoffbatterien bis 2027 angekündigt.

Die von Toyota gepriesenen Vorteile kann der Batterietyp tatsächlich bieten, betont der Gießener Forscher Janek – allerdings nur dann, wenn nicht nur der Elektrolyt im Lithium-Ionen-Akku ersetzt wird, sondern auch das Material der Anode. Denn dieses dient als Aufbewahrungsort für die energiegeladenen Ionen. Bei den herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen besteht die Anode aus Grafit. In dessen Schichtstruktur lassen sich Lithium-Ionen schnell einlagern und bei Strombedarf wieder herausholen.

Doch das braucht Platz. Daher lässt sich in einer bestimmten Menge von Grafit nur eine begrenzte Menge an elektrischer Ladung speichern. Anders bei einer Anode aus Lithium-Metall: Sie kann pro Volumen ein Vielfaches an Lithium-Ionen bunkern – sie hat eine höhere spezifische Kapazität. Und: Lithium-Metall als Anodenmaterial hat das Potenzial, die Energiedichte auf Zellebene deutlich zu steigern und so die Reichweite von E-Autos zu verlängern. Möglich wird seine Verwendung erst durch Kombination mit festen Substanzen. Mit einem flüssigen Elektrolyten würde das Metall rasch reagieren.

In einer Feststoffbatterie müsste Lithium-Metall außerdem einen weiteren Vorteil bieten: die von vielen Unternehmen gepriesene Schnellladefähigkeit. „Das ist ein wesentlicher Punkt, der heute vor allem durch die Grafit-Anode begrenzt wird“, betont Felix Hartmann, der im Team von Jürgen Janek forscht. In der Praxis liegt eine Grenze auch in der Leistung der Ladestationen. Dass Feststoffbatterien wegen der besonderen Eigenschaften der festen Elektrolyte hohe Laderaten bieten können, haben frühere Experimente von Toyota bestätigt. Hinzu kommen weitere Vorteile wie eine geringere Kälteempfindlichkeit als bei Lithium-Ionen-Akkus.

Doch es ist noch viel zu tun. „Wir können noch nicht einmal sagen, ob große Feststoffbatterien tatsächlich so sicher sein werden wie erhofft“, sagt Materialforscher Janek. Auch andere grundlegende Fragen sind nicht abschließend beantwortet. Ein Beispiel ist das Wachstum von Dendriten: fingerartiger Strukturen, die dadurch entstehen, dass sich Lithium beim Batteriebetrieb ungleichmäßig an einer Elektrode anlagert. Solche Lithium-Dendrite verschlechtern die Eigenschaften der Zelle und können sogar zu einem Kurzschluss führen.

Außerdem verändert sich durch das Einlagern und Entnehmen von Lithium-Ionen beim Laden oder Entladen das Volumen der Anode deutlich – bei Grafit ebenso wie bei Lithium-Metall, aber eben viel weniger. „Die Aktivmaterialien atmen während des Batteriebetriebs“, erklärt Hartmann. „In Akkus mit flüssigem Elektrolyten ist das zu einem gewissen Maß kein Nachteil, da die Flüssigkeit in Randbereiche der Zelle und ungefüllte Poren gedrückt wird.“ Doch bei einem festen Elektrolyten ist das nicht möglich. Die Folge: Das Metall der Anode kann sich vom Festelektrolyt lösen, es bilden sich Risse. „Das ist ähnlich wie bei Rost, der von einem metallischen Untergrund abblättert“, sagt der Forscher. Und auch die Kathode zeigt Volumenänderungen bei Ladung und Entladung. Die sind zwar meist etwas geringer, können aber dennoch Probleme verursachen. Wie sich solche Effekte vermeiden lassen, untersuchen die Forscher in Gießen gemeinsam mit Kollegen des Helmholtz-Instituts Ulm, des Karlsruher Instituts für Technologie und mehrerer Industrieunternehmen im Rahmen des BMBF-Kompetenzclusters für Feststoffbatterien „FestBatt“.

Spannendes Silizium

Bei den Batterieforschern ist zudem ein anderes Material in den Fokus gerückt: Silizium. Der Halbleiter, der auch die Basis der Mikroelektronik ist, zeigt als Anodenmaterial einer Feststoffbatterie ähnlich gute – und teils sogar bessere – Eigenschaften als Lithium-Metall, bringt aber auch Herausforderungen hinsichtlich der Volumenänderungen. Das ist das Resultat einer Ende 2023 abgeschlossenen Studie, an der auch Jürgen Janek und sein Team beteiligt waren. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Silizium-Anode ein erhebliches Potenzial für den Einsatz in Feststoffbatterien hat“, betont Janek.

Zwar hat Silizium als Anodenmaterial einige Nachteile – so altern daraus bestehende Elektroden recht schnell –, doch es hat auch einen großen Vorteil: Eine Anode aus Silizium neigt deutlich weniger zur Bildung von Dendriten. Es ist also gut möglich, dass letztlich das Material, das die Mikroelektronik so weit vorangebracht hat, künftig auch in Batterien der Stoff der Wahl sein wird.

Allerdings gibt es noch weitere Hürden auf dem Weg ins elektrisch angetriebene Automobil. Die Industrie benötigt zum einen geeignete Produktionstechniken und Prozesse, um eine flächendeckende Zellfertigung für Feststoffbatterien zu etablieren – in großer Stückzahl für den Massenmarkt und zu wettbewerbsfähigen Kosten. Das geht nicht über Nacht. „Der Aufbau einer industriellen Fertigungsanlage ausgehend von Laborversuchen dauert Jahre“, sagt Janek. Parallel muss die Lieferkette für die neuen Materialien, allen voran die Festelektrolyte, für die Versorgung im Tonnenmaßstab aufgebaut werden. Überdies ist noch nicht endgültig klar, welche Stoffe sich am besten als Festelektrolyte in welchen Zellkomponenten eignen. Infrage kommen vor allem drei Arten von Materialien, die alle ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben.

So sind Festelektrolyte aus Polymeren gut erforscht und werden auf der Basis von Polyethylenoxid bereits kommerziell genutzt. „Doch bei Raumtemperatur haben viele Polymerelektrolyte eine vergleichsweise geringe Leitfähigkeit“, sagt Felix Hartmann. „Daher müssen sie für den Betrieb auf 40 bis 60, manchmal sogar 80 Grad Celsius geheizt werden.“ Das schränkt ihre Anwendung in Pkw ein – stünde aber nach Ansicht des Batterieforschers einer Nutzung für Fahrzeuge im Dauerbetrieb, etwa von Omnibussen, nicht im Weg. „Darüber hinaus gibt es interessante hybride Konzepte mit Polymeren, etwa indem durch wenig Zusatz von Flüssigkeit die Kontakte in der Zelle verbessert werden“, stellt Hartmann fest. Die Vor- und Nachteile solcher hybriden Zellen und ihre Sicherheit im Langzeitbetrieb werden derzeit debattiert – häufig wird von Semi-Solid-State-Batterien“ gesprochen: „halbfeste“ Batterien.

Eine Alternative zu den Polymeren sind keramische Oxide, die zum Teil eine besonders hohe Stabilität aufweisen. Viele Oxide leiten die Ionen bei Raumtemperatur besser als Polymere, sie sind aber in der Herstellung problematisch: Es formen sich einzelne Körner, zwischen denen Poren entstehen – Hohlräume, die die elektrische Leitfähigkeit des gesamten Akkus herabsetzen und Raum für die Bildung von Dendriten bilden.

Daher bauen viele Entwickler auf Sulfide – feste Verbindungen auf der Basis von Schwefel –, die „weicher“ und dadurch mechanisch einfacher zu verarbeiten sind. Ein Grund, warum diese Materialklasse wissenschaftlich und industriell erforscht wird, ist die besonders hohe Leitfähigkeit vielversprechender Sulfid-Elektrolyte – sie können mit flüssigen Elektrolyten mithalten oder sie sogar übertreffen. Eine Herausforderung ist aber die eingeschränkte Stabilität im Kontakt mit anderen Materialien der Zelle, was die Zellalterung fördert.

„Wie die erfolgreichste Lösung letztlich aussehen wird, ist offen. Es wird sich aber nicht nur die eine Feststoffbatterie durchsetzen, sondern entsprechend der Anwendung und des Anforderungsprofile verschiedene Varianten geben“, meint Hartmann. „Am Ende könnte es sein, dass ein hybrider Elektrolyt ein gutes Material darstellt, etwa eine feste Kombination aus Polymer und Keramik oder eine „halbfeste“ Kombination mit wenig Flüssigzusatz. Die Entwicklung auf diesem Gebiet verläuft schnell. Und parallel zur Grundlagenforschung feilen einige Unternehmen bereits an anwendungsreifen Produkten.

Vorreiter sind Unternehmen aus China, Japan und den USA. So hat QuantumScape aus Kalifornien den Prototyp einer Feststoffbatterie entwickelt, die eine doppelt so hohe Energiedichte hat wie ein klassischer Lithium-Ionen-Akku. Das kann E-Autos rund 50 Prozent mehr Reichweite bringen. Zudem hat die Firma einen Weg gefunden, um eines der größten Hindernisse für den Einsatz von Feststoffbatterien zu beseitigen: „Diese müssen bisher unter hohem Druck von rund 500 Bar betrieben werden“, sagt Jürgen Janek. „Nun hat QuantumScape gezeigt, dass sich die Anode auch bei unter 4 Bar betreiben lässt.“ Ähnlich vielversprechende Entwicklungen hat das konkurrierende Unternehmen Solid Power aus Colorado zu bieten, wo bereits die Fertigung von Feststoffbatterien für den Einsatz in Elektroautos angelaufen ist. Beide Unternehmen haben Partnerschaften mit Autobauern, auch aus Deutschland.

Vorsichtige Einschätzung der Entwicklung

Mit einer Einschätzung zu der Frage, wann tatsächlich erste Serienfahrzeuge auf die Straßen rollen werden, ist Jürgen Janek vorsichtig. Der Wissenschaftler rechnet damit frühestens 2030. Und er hält es noch nicht einmal für ausgemacht, ob diese Technologie tatsächlich in Automobilen Einzug halten wird. Denn eine Herausforderung der E-Mobilität lässt sich mit Lithium-Feststoffbatterien nicht lösen: der wachsende Bedarf an Rohstoffen wie Lithium, Kobalt oder Nickel, deren Kosten durch die zunehmende Zahl an batteriebetriebenen E-Autos und marktübliche Spekulation. Das könnte dazu führen, dass die Entwicklung noch eine Wendung in eine andere Richtung nimmt. Denn Forscher arbeiten weltweit auch an der Entwicklung von Natrium-Batterien – mit flüssigem oder festem Elektrolyten.

Die ähneln in ihrem Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie, verwenden mit Natrium aber ein Element, das überall einfach, in großer Menge und kostengünstig erhältlich ist – so ist es in Backpulver und Kochsalz enthalten. „Zwar sind einige Eigenschaften von Natrium-Akkus, speziell deren Energiedichte, schlechter als bei den Pendants auf Lithium-Basis“, stellt Janek fest. Doch für viele Anwendungen reichen sie aus: etwa für stationäre Energiespeicher und für kleine, preisgünstige Elektroautos mit geringerer Reichweite – etwa für den Stadtverkehr.

Eine Perspektive bieten zudem Lithium-Ionen-Akkus mit Eisenphosphat als Kathodenmaterial. Bisher enthält die Kathode meist Metalle wie Nickel, Kobalt und Mangan – auch bei Feststoffbatterien. Diese Rohstoffe durch andere zu ersetzen, die nachhaltiger und global verfügbar sind, könnte im Massenmarkt mehr Vorteile bringen als ein Plus an Reichweite. Unternehmen wie Tesla setzen auch deshalb auf Akkus mit Lithium-Eisenphosphat. „In der Batterieentwicklung gab es immer wieder Überraschungen“, sagt Jürgen Janek. „Damit sollten wir auch künftig rechnen.“ Das Rennen um die Akkus für künftige E-Autos ist noch nicht entschieden.

Das größte wirtschaftliche Potenzial sehen die Karlsruher Forscher beim Automobilmarkt, der sich zum Hauptanwendungsbereich für Feststoffbatterien entwickeln könnte. Die Verwendung solcher Akkus, die auf Sulfid-Elektrolyten beruhen, sei aber zunächst auch bei kleineren Geräten wie Laptops, Smartphones oder Elektrowerkzeugen vorstellbar, da dort die Anforderungen und Prüfverfahren weniger streng sind als bei Fahrzeugen. Den Einsatz oxidischer Feststoffbatterien in Automobilen erwarten die Fraunhofer-Experten etwa ab 2028 – und wegen der anfangs im Vergleich zur etablierten Technologie recht hohen Kosten zunächst in Fahrzeugen der Oberklasse. Später könnte die Technologie beispielsweise auch in Lkw, stationären Energiespeichern und letztlich sogar in der Passagierluftfahrt Einzug halten.

Allerdings: Der Marktanteil von Feststoffbatterien dürfte laut der ISI-Roadmap zunächst überschaubar sein. Die industrielle Kapazität für die Produktion der neuen Art von Akkus schätzen die Forscher für 2030 auf 15 bis 55 und für 2035 auf 40 bis 120 Gigawattstunden – das entspricht ungefähr einem bis zwei Prozent des dann erwarteten Markts für konventionelle, flüssigkeitsbasierte Lithium-Ionen-Batterien.[/su_box]