Welches Potenzial haben Festkörperbatterien für Elektroautos? Springer Professional hat dazu mit Akira Yoshino, dem Erfinder des Lithium-Ionen-Akkus, gesprochen.
Dr. Akira Yoshino im Interview mit Springer Professional: Yoshino ist Honorary Fellow beim japanischen Spezial-Chemiekonzern Asahi Kasei und hat 2019 den Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie gewonnen.
Asahi Kasei
Springer Professional: Die Festkörperbatterie-Technologie gilt als der vielversprechendste Ansatz für die Elektromobilität der Zukunft. Was sind die Vorteile von Festkörperbatterien im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien?
Yoshino: Ich denke, der größte Vorteil der Festkörperbatterien besteht darin, dass sie aufgrund ihrer besseren thermischen Stabilität höhere Betriebstemperaturen ermöglichen. Insbesondere, wenn man die Anwendung im Automobilbereich betrachtet, können Festkörpersysteme ohne das Kühlsystem für die Batterie auskommen.
Gibt es auch Nachteile?
Eine zentrale Herausforderung ist der Lithium-Ionen-Transport durch den Festelektrolyten, insbesondere über die Grenzflächen zu den Elektroden. Der Widerstand an der Elektrode beziehungsweise an der Festkörperelektrolyt-Grenzfläche ist zu hoch, was ein schnelles Laden und Entladen behindert. Die Volumenausdehnung in den Einlagerungsmaterialien ist ebenfalls eine bedeutende Hürde für Festkörperbatterien. Wenn sich die Batterie ein wenig ausdehnt oder schrumpft, besteht die Gefahr, dass der Oberflächenkontakt abbricht, sodass kein Ladungstransport mehr stattfindet.
Zu Festkörperbatterien wird derzeit sehr viel geforscht. Was ist der Grund dafür? In welchem Stadium befindet sich momentan die Entwicklung von Festkörperbatterien?
Aufgrund der höheren elektrochemischen Stabilität besteht die Möglichkeit, neue, andere Materialien für die Kathode und Anode zu verwenden, die wir vorher nicht einsetzen konnten. Sehr kleine Festkörperbatterien sind bereits auf dem Markt. Was großformatige Festkörperbatterien betrifft, die für die Automobilindustrie verwendet werden könnten, befindet sich die Entwicklung noch im Anfangsstadium. Andere Batteriekandidaten haben den Durchbruch über das Forschungsstadium hinaus noch nicht erreicht.
Welche Unterschiede bestehen beim Verbrauch knapper und teurer Rohstoffe, wenn Sie Festkörperbatterien mit Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt vergleicht?
Für die Kathode und Anode von Festkörperbatterien werden fast die gleichen Materialien verwendet. Es gibt einen Trend weg von der Verwendung knapper Materialien und hin zur Suche nach Möglichkeiten, weniger davon zu verwenden. Darüber hinaus wird es für die Fahrzeuganwendungen besonders zentral sein, das Metall für die Batterie zu recyceln. Die Technologie zum Recyceln von zum Beispiel Kobalt oder Nickel ist etabliert. Technisch gesehen ist es möglich, zu recyceln, aber es ist kostspielig.
Was sind die herausforderndsten technologischen Aspekte im Hinblick auf skalierbare Produktionsmethoden für Festkörperbatterien?
Es ist wichtig, Festelektrolyte herzustellen, die dicht gepackt werden können, aber flexibel bleiben, sodass die Ionen und Elektronen leicht fließen können, während die Anode Platz zum Ausdehnen und Zusammenziehen hat. Die Minimierung der Verformung der Elektrolyte ist entscheidend, da dies die langfristige Leistungsverschlechterung der Batterie beeinflusst.
Toyota plant, im Jahr 2025 mit der begrenzten Produktion von Festkörperbatterien für Elektroautos zu beginnen. Wie realistisch ist eine Markteinführung bis 2025?
Toyota hat die Tests abgeschlossen. Also, wenn sie von 2025 sprechen, glaube ich, dass sie von einem Prototyp oder einer Kleinserienproduktion zum Testen sprechen. Für den Erfolg der Festkörperbatterie wird die Massenproduktion entscheidend sein.