Festkörperbatterien sind der Hoffnungsträger der Elektromobilität. Sie versprechen schnellere Ladezeiten und eine höhere Energiedichte. Wir erklären kompakt, was Festkörperbatterien sind und welche Vorteile sie haben.
Testaufbau des Forschungszentrums Jülich für die Festkörperbatterie: Die Batterie von der Größe einer Knopfzelle befindet sich in der Mitte des Plexiglasgehäuses, welches die dauerhafte Kontaktierung der Batterie sicherstellt. Anode, Kathode und Elektrolyt wurden aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt.
Forschungszentrum Jülich / Regine Panknin
Festkörperbatterien, auch Feststoffbatterien genannt, gelten als nächste Akku-Generation. Sie verwenden einen festen und keinen flüssigen Elektrolyt wie die etablierten Lithium-Ionen-Batterien. Festkörperbatterien sind feuersicher und sollen zukünftig größere Speicherkapazitäten und schnellere Ladevorgänge ermöglichen, wie der Beitrag Batterien der nächsten Generation aus der Keramischen Zeitschrift 1-2/2019 verdeutlicht. Festkörperbatterien gelten als noch sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Wenn durch den Einsatz fester Elektrolyte auch die Nutzung von Lithiummetall als Elektrodenmaterial möglich würde, könnte dies die Energiedichte der Batterien spürbar vergrößern, prognostizieren Gießener Batterieforscher, die kürzlich in der Zeitschrift "Nature Energy" eine detaillierte Analyse von zukünftigen Feststoffbatterien publiziert haben.
Die Realisierung und insbesondere die Produktion solcher Festkörperbatterien sind aber noch mit großen Herausforderungen verbunden. Im Mittelpunkt steht dabei die Erforschung der benötigten Materialien, ihrer Eigenschaften und ihrer Herstellung. "Im Endeffekt geht es um den Fünfklang einer bestmöglichen Energie- und Leistungsdichte bei maximaler Sicherheit und kalendarischer Lebensdauer bei geringsten Systemkosten", so Professor Dr. Kai Peter Birke von der Universität Stuttgart im Interview "Es wird keine Wunderbatterie geben" mit der ATZelektronik 3/2018.
Verkürzte Ladezeiten
Insbesondere die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum Laden benötigen. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben hier kürzlich einen Durchbruch erzielt: ein neuer Zelltyp, den die Forscher entworfen haben, braucht weniger als eine Stunde, bis er wieder aufgeladen ist. Anode, Kathode und Elektrolyt wurden alle aus verschiedenen Phosphatverbindungen gefertigt, die Laderaten von über 3C (bei einer Kapazität von etwa 50 mAh/g) ermöglichen. Daneben arbeiten Jülicher Wissenschaftler zusammen mit der Universität Münster an einer Feststoffbatterie mit einer Anode aus reinem Lithium.
Eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung von Festkörperbatterien ist es, geeignete Materialien mit einer ähnlich hohen Ionenleitfähigkeit wie sie flüssige Elektrolyte besitzen, zu finden. "Toyota ist führend mit einem sulfidischen anorganischen Festelektrolyt mit einer Leitfähigkeit, die etwa dem Dreifachen von flüssigen Elektrolyten entspricht", wie Professor Dr. Philippe Vereecken, Wissenschaftlicher Leiter des Forschungszentrums imec und Professor an der Universität von Leuven (Belgien), im Kurzinterview des Reports Batteriezellen "Made in Germany" – Ein Weg mit Hindernissen aus der ATZ 2-2020 erläutert.
Massenproduktion noch Zukunftsmusik
Auch andere Institute und Unternehmen zeigen Interesse an dem neuen Batteriekonzept. Mit der industriellen Produktion von Feststoffbatteriezellen beschäftigen sich zum Beispiel die Empa, das Fraunhofer ISC und das Infrastrukturprojekt NextGenBat. Auch Toyota und Panasonic wollen Festkörperbatterien entwickeln und produzieren. Volkswagen investiert in das US-Unternehmen Quantumscape und will bis 2025 eine Fertigungsanlage für Feststoffbatterien bauen. Und das Elektroauto Fisker Emotion soll mittelfristig mit einer Festkörperbatterie betrieben werden.
Derzeit ist die Festkörperbatterie aber noch ein Versprechen der Zukunft. Dr. Christoph Neef vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI geht im Interview "In der Zellproduktion wird es keinen Lieferengpass geben" aus der ATZelektronik 5/2019 davon aus, dass erste Feststoffbatterien in größerem Maßstab ab etwa 2025 auf den Markt kommen könnten, allerdings zunächst nicht im Automobil.