Analyse: So weit ist die Industrie bei der Entwicklung von Festkörperbatterien

Festkörperbatterien könnten den Markt für Elektroautos grundlegend verändern. Die Hersteller versprechen sich davon eine größere Reichweite zu geringeren Kosten. Experten sind jedoch der Meinung, dass es trotz der Ankündigungen von Toyota und Co., die eine Produktion noch vor 2030 anstreben, wahrscheinlich noch lange dauern wird, bis Festkörperbatterien reif für den E-Auto-Massenmarkt sind.

Andrew Colclasure, ein Batterieforscher am National Renewable Energy Laboratory in den USA, sagte der amerikanischen Automobilwoche-Schwester Automotive News: "Die Technologie funktioniert in kleinem Maßstab, aber es ist eine Herausforderung, sie auf die für Autos erforderlichen großen Kapazitäten zu bringen."

Das Ziel ist es, eine Batterie für Elektrofahrzeuge zu entwickeln, die zuverlässig eine große Reichweite, schnelle Ladezeiten und eine längere Lebensdauer als die heute verwendeten Batterien bietet. Die gute Nachricht ist: Festkörperbatterien können das leisten.

Sie werden als Festkörperbatterien bezeichnet, weil ihr Elektrolyt – die Komponente, die geladene Teilchen (Ionen) zwischen den Batterieelektroden hin und her bewegt – aus festem Material besteht, während die heute verwendeten Lithium-Ionen-Batterien flüssige Elektrolyte haben.

Die Vorteile sind beträchtlich. Lithium-Festkörperbatterien haben eine viel höhere Energiedichte als Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Sie können die gleiche Energiemenge in ein viel kleineres und leichteres Gehäuse packen oder bei gleicher Gehäusegröße mehr Energie liefern, was zu einer größeren Reichweite führt.

Durch den Wegfall der hochentzündlichen Flüssigelektrolytlösungen verbessert die Festkörpertechnologie außerdem die Sicherheit von Elektrofahrzeugen und sorgt für kürzere Ladezeiten.

Das Ziel der Industrie ist eine Ladezeit von 15 Minuten oder weniger für Batterien mit einer Reichweite von etwa 480 Kilometern. Festkörperbatterien können dies ermöglichen und nähern sich damit dem idealen Ladevorgang für Elektrofahrzeuge an, der nicht länger dauert als ein Tankstellenstopp für Autos und Lastwagen mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren.

Erste Tests in der Industrie und in der akademischen Forschung deuten darauf hin, dass Festkörperbatterien viel öfter als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien ohne wesentliche Beeinträchtigung geladen werden können.

Die wissenschaftlichen Grundlagen sind vorhanden. Festkörperbatterien treiben bereits medizinische Geräte, RFID-Produkte und Smart-Watches an. Die Vergrößerung der Batteriegröße und ihre Widerstandsfähigkeit in der rauen Automobilumgebung stellen jedoch eine große Herausforderung bei der Entwicklung und Produktion dar.

Dazu gehören vor allem die Verbesserung der Langlebigkeit, die Verringerung der Fertigungskomplexität und der Aufbau einer stabilen Lieferkette. Festkörperbatterien verwenden dieselben chemischen Substanzen wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien und unterliegen daher denselben Beschränkungen für kritische Mineralien.

Ein großes Problem ist die Neigung von Festkörperbatterien mit Graphitanoden – dem gängigsten Typ –, nadelartige Strukturen, sogenannte Dendriten zu bilden. Die Dendriten können mit jedem Ladezyklus wachsen, wodurch die Batterie geschwächt und möglicherweise kurzgeschlossen wird.

Ein zusätzliches Problem besteht darin, dass das für Festkörperbatterien verwendete Elektrolytmaterial dazu neigt, mit zunehmender Anzahl von Ladezyklen zu reißen, aufzuquellen und auseinanderzubrechen. Die gängigste Lösung ist, das Elektrolyt unter hohen Druck zu setzen, aber das erfordert teure Produktionsanlagen.

Toyota und der japanische Energiekonzern Idemitsu Kosan arbeiten seit 2013 gemeinsam an der Entwicklung von Festkörperbatterien und haben zuletzt die Markteinführung einer Batterie in kommerzieller Qualität für 2027 oder 2028 in Aussicht gestellt.

Das ist ein paar Jahre nach ihrem früheren Ziel von 2025, aber immer noch früher als andere angekündigte Ziele für eine erste kommerzielle Produktion in kleinen Stückzahlen.

Toyota betont jedoch, dass die Entwicklung einer marktreifen Batterie nicht bedeutet, dass sie sofort in großen Mengen auf den Markt kommt. Denn erst, wenn man in der Lage sei, Festkörperbatterien in kommerzieller Qualität zu produzieren, werde man damit beginnen, eine Lieferkette und die Anlagen für die Massenproduktion aufzubauen.

Andere Autohersteller – darunter BMW, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz, Nissan, Stellantis und Volkswagen – arbeiten ebenfalls mit Partnern an der Entwicklung von Festkörperbatterien. Nissan hat die Massenproduktion für 2028 angekündigt; Honda hat sich 2030 als Ziel gesetzt.

Angesichts all dieser Entwicklungen ist eine Zukunft, in der Festkörperbatterien der Standard in Elektroautos sind, durchaus absehbar, glaubt der Batterieforscher Donald Siegel von der University of Texas.

"Jetzt ist es wirklich wichtig, dass die Entwickler ihre Daten einreichen, damit sie von unabhängiger Seite unter realistischen Bedingungen getestet werden können. Erst dann werden wir eine Vorstellung davon haben, wo die Ziellinie ist", sagte er Automotive News.

"Wir verstehen Festkörperbatterien heute viel besser als noch vor zehn Jahren, aber es gibt noch viel zu tun." Seiner Ansicht nach wird es noch etwa ein Jahrzehnt dauern, bis die Technologie in die kommerzielle Vermarktung gehen kann.

Dieser Artikel ist zuerst bei der amerikanischen Automobilwoche-Schwester Automotive News erschienen. Er wurde von KI übersetzt und von einem Redakteur der Automobilwoche bearbeitet.