Auf dem Weg zur Feststoffbatterie: Wie weit ist die neue Technologie?

Elektromobilität schön und gut, jedoch schrecken noch viele vor dem Kauf eines Elektroautos zurück. Zu kurz sind die Reichweite, zu lang die Ladezeiten. Mit der Feststoffbatterie könnte sich das Blatt jedoch wenden … Die Frage ist nur: Wann ist mit der neuen Technologie zu rechnen? Ein Kurzreport.
Lithium-Ionen-Akkus, wie sie heute so gut wie in jedem Elektroauto zum Einsatz kommen, bieten zwar praxistaugliche Reichweite von bis zu 500 Kilometern, jedoch haben sie einige Nachteile: Sie sind sehr schwer und besitzen nur eine geringe Energiedichte von 500 Wattstunden pro Liter. Zum Vergleich: Ein Kilo Benzin (Super 95) hat knapp über das 20-fache, in etwa 9.000 Wattstunden. Darüber hinaus sind die derzeitigen Akkus noch recht teuer und lassen sich nur recht langsam laden. Es braucht also mehr Sicherheit, größere Speicherkapazitäten und kürzere Ladezeiten, um dem E-Auto den Durchbruch zu ermöglichen.

Die Weiterentwicklung von Batterien für verschiedene Anwendungsfelder ist also mit großen Erwartungen verbunden. Die Justus-Liebig-Universität Gießen forscht schon länger an sogenannten „FestBatts“, die in der Automobilindustrie schon heute als Superbatterie und „Gamechanger“ gehandelt werden. Das Konzept der Festkörperbatterie gilt als mögliche Weiterentwicklung der heute gängigen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Festkörperbatterien kommen ohne solche brennbaren Bestandteile aus und versprechen höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten. Als Ionen-leitende Schicht kommen vor allem Keramiken und Kunststoffe in Frage. Im Übrigen verwendet Mercedes bereits eine solche Technologie in Serie – und zwar bei dem Linienbus eCitaro. Erst Anfang dieses Jahres gab der Stuttgarter Autobauer bekannt, seine Forschung an Feststoffbatterien drastisch auszuweiten. So wurde mit dem taiwanesischen Akku-Hersteller eine Technologiepartnerschaft vereinbart – für „eine Integration der Feststofftechnologie in ausgewählten Modellen innerhalb der zweiten Hälfte des Jahrzehnts“, heißt es in einer Pressemitteilung von Januar.

Klar ist: Feststoffbatterien haben großes Potenzial

Das Optimierungspotenzial von Lithium-Ionen-Akkus (LIB) wird mit zunehmender technologischer Weiterentwicklung immer geringer. Laut Fraunhofer Institut wird erwartet, dass diese Technologie im kommenden Jahrzehnt langsam an ihre Grenzen stößt. Feststoffbatterien (Englisch: solid state battery, kurz SSB) mit Festelektrolyten, die sich aktuell in der Entwicklung befinden und in den kommenden Jahren auf den Markt kommen könnten, versprechen Verbesserungen bei mehreren wichtigen Leistungsparametern. Hiervon sowie von der parallelen Weiterentwicklung der LIB-Technologie, die für die nächsten Jahre dominant bleibt, könnte der gesamte Batteriesektor langfristig profitieren. Allerdings sind eine Reihe wissenschaftlicher und technologischer Herausforderungen auf dem Weg zum kommerziellen Erfolg und zur Massenproduktion von Festkörperbatterien noch ungelöst. Auf Basis einer umfassenden Literaturrecherche, Experten-Befragungen sowie einem Workshop, haben Batterieexperten des Fraunhofer ISI eine Roadmap entwickelt, in der die drei aktuell vielversprechendsten Festelektrolyt-Varianten – Oxid-Elektrolyte, Sulfid-Elektrolyte und Polymer-Elektrolyte – genauer betrachtet und mit den zu erwartenden Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien verglichen werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass Feststoffbatterien (SSB) im Vergleich zu hochmodernen Flüssigelektrolyt-LIB deutliche Leistungsverbesserungen mitbringen müssen, um relevante Marktanteile zu erreichen. Wichtige Leistungsparameter sind dabei Energiedichte, Sicherheit, Lebensdauer, Kosten und Schnellladefähigkeit. Feststoffbatterien haben das Potenzial, klassische LIB in Punkto Energiedichte zu übertreffen, insbesondere da sie einen Einsatz von Li-Metall-Anoden ermöglichen. Zudem gilt ihre Sicherheit selbst auf der Zellebene als hoch, weil sie keine brennbaren Flüssigkeiten enthalten. Ihre Lebensdauer könnte die von Flüssigelektrolyt-LIB sogar übersteigen, allerdings müssen dazu noch technische Herausforderungen, wie zum Beispiel Volumenänderungen während des Auf- oder Entladens, bewältigt werden. Die Kosten der Feststoffbatterien dürften zu Beginn ihrer Markteinführung, unter anderem aufgrund geringerer Produktionsvolumina, deutlich höher ausfallen als bei aktuellen LIB. Außerdem ist die Schnelladefähigkeit von Feststoffbatterien momentan noch durch die meist geringe ionische Leitfähigkeit der Festelektrolyte begrenzt; ihr Design könnte aber speziell dafür angepasst werden. Insgesamt ist zu beachten, dass die Verbesserung eines Leistungsparameters häufig zulasten eines anderen geht und die Batterien entsprechend auf bestimmte Anforderungen und Anwendungen maßgeschneidert werden könnten.

Der Automobilmarkt birgt das insgesamt größte Potenzial für Feststoffbatterien und dürfte mittel- bis langfristig deren Hauptanwendungsbereich werden, heißt es in der Studie weiter. Feststoffbatterien auf Basis von Sulfid-Elektrolyten könnten zunächst im Consumer-Bereich und dort in Laptops, Smartphones oder Elektrowerkzeugen eingesetzt werden, da die Anforderungen und Prüfverfahren hier weniger streng sind. Für oxidische Feststoffbatterien dürfte der Automobilmarkt der erste Einsatzbereich sein – vermutet wird etwa ab dem Jahr 2028. Angesichts höherer Anfangskosten ist es denkbar, dass Feststoffbatterien zunächst in oberen Marktsegmenten genutzt werden. Kostenreduzierungen durch Skalierungseffekte könnten der Technologie langfristig helfen, weitere Anwendungsbereiche wie zum Beispiel in LKW und stationären Speichern oder nach 2035 auch in der Passagierluftfahrt zu erschließen.

Künftige Marktanteile bleiben zunächst überschaubar

In Hinblick auf künftige Marktentwicklungen dürfte die Feststoffbatterie-Produktion, die global derzeit unter 2 GWh bleibt und auf Polymer-SSB basiert, zwischen 2025 und 2030 stark zulegen – wenn Feststoffbatterien auf Oxid- und Sulfid-Elektrolyt-Basis auf den Markt kommen. Die Produktionskapazität wird im Jahr 2030 auf 15 bis 55 GWh und für 2035 auf 40 bis 120 GWh geschätzt, was in etwa einem bis zwei Prozent des dann entstandenen LIB-Markts entspricht. Flüssigelektrolyt-LIB dominieren damit auf noch absehbare Zeit den Markt.

Neben Einschätzungen zu Anwendungsbereichen und Marktentwicklungen macht die Roadmap zudem Aussagen darüber, welche Hürden Feststoffbatterien in Zukunft für eine Marktdurchdringung noch bewältigen müssen. Dr. Thomas Schmaltz, der die Forschungsarbeiten zur Roadmap am Fraunhofer ISI koordiniert hat, benennt drei zentrale Herausforderungen: „Erstens ist derzeit noch nicht absehbar, welches Festkörper-Batteriekonzept am Ende die größte Leistungsfähigkeit besitzen wird, was eine parallele Entwicklung verschiedener Ansätze und damit höhere Investitionen erfordert. Zweitens werden Feststoffbatterien in einem ständigen Wettbewerb mit Flüssigelektrolyt-Lithium-Ionen-Batterien stehen und wegen ihrer anfangs höheren Kosten deutliche Leistungsverbesserungen mitbringen müssen, was erste Anwendungen eher im Premiumbereich vermuten lässt. Drittens ist eine starke private und öffentliche Förderung jenseits der reinen Forschungsförderung nötig, um den Rückstand europäischer Akteure gegenüber asiatischen und US-amerikanischen Playern bei Patentierung, Produktentwicklung, Produktionstechnologien, Pilotproduktion sowie bei Start-up- und Industrieaktivitäten aufzuholen – gelingt dies, kann Europa zukünftig eine führende Rolle bei der Entwicklung von Feststoffbatterie-Technologien spielen.“

Es wird kräftig geforscht

Die Forschungsarbeiten zur Roadmap entstanden im Rahmen der BMBF-geförderten Begleitmaßnahme „BEMA II“ zur Förderinitiative Batterie 2020 und unterstützen auch die unter dem Dachkonzept Forschungsfabrik Batteriezelle geförderten Kompetenzcluster – wie zum Beispiel für Feststoffbatterien, genannt „FestBatt“. An dessen erster Förderphase waren mehr als 100 Forscherinnen und Forschern beteiligt. Diese haben in einem ersten Schritt erfolgreich die wissenschaftlichen Grundlagen der Synthese von Festelektrolyten als Kernkomponente von Festkörperbatterien erarbeitet. Im Mittelpunkt der zweiten Phase steht nun die Entwicklung von Zellkomponenten und ganzen Festkörperbatteriezellen auf der Basis dieser Elektrolyte und der dafür notwendigen Material- und Prozesstechnologie. Hierfür setzt das BMBF die Förderung des Kompetenzclusters „FestBatt“ ab November 2021 mit insgesamt rund 23 Millionen Euro für weitere drei Jahre fort, erklärt die Uni Gießen. Beteiligt sind 17 wissenschaftliche Einrichtungen – hierunter Universitäten, Helmholtz-Zentren sowie Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft. Koordiniert wird der Kompetenzcluster auch in der zweiten Förderphase von Prof. Dr. Jürgen Janek vom Zentrum für Materialforschung (ZfM) der Justus-Liebig-Universität Gießen.

Der Kompetenzcluster „FestBatt“ besteht in der zweiten Phase aus neun Verbundprojekten, die sich in drei Zell- und vier Querschnittsplattformen einordnen sowie einem übergeordneten Begleitprojekt. Für die fachliche Ausrichtung und Weiterentwicklung des Clusters ist ein Managementkreis mit Expertinnen und Experten aus Industrie und Wissenschaft verantwortlich, der vom Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien (KLIB) unterstützt wird.
FestBatt ist Teil des Dachkonzepts „Forschungsfabrik Batterie“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), dessen Ziel es ist, die technologische Souveränität Deutschlands in der Batterietechnologie zu sichern. Der Cluster sei eng mit den parallel geförderten anderen BMBF-Kompetenzclustern vernetzt (u.a. ProZell und ExCellBattMat). Auch wenn es also vermutlich noch einige Jahre dauern wird, bis jene neue Batterietechnologie massentauglich wird, zeigen schon jetzt einige Projekte von Forschung und Industrie, wohin die Reise gehen könnte. Wir halten euch auf dem Laufenden!

Quellen: Justus-Liebig-Universität Gießen, Festbatt.net, Fraunhofer Institut (ISI), Mercedes-Benz