Elektroauto: Batterie mit festem Elektrolyt setzt sich erst langsam durch

Batterien mit festem Elektrolyt schienen schon öfter kurz vor der Marktreife. In einer Studie fasst das Fraunhofer ISI die aktuellen Forschungen zusammen.

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Batterie im BMW iX3

Derzeit dominieren Batterien mit flüssigem Elektrolyt den Markt der Traktionsbatterien in Elektroautos. Ab dem kommenden Jahrzehnt bekommen sie zunehmend Konkurrenz von Speichern, deren Elektrolyt fest ist.

(Bild: BMW)

Von
  • Martin Franz

Die Zahl der kurz bevorstehenden Batterierevolutionen ist in den vergangenen Jahren sprunghaft angestiegen. Reale Fortschritte gibt es zwar, sie kommen jedoch in vergleichsweise kleinen Schritten auf den Markt. So ist es gelungen, Kosten, Bauraum und den Energieaufwand während der Produktion deutlich zu senken. Der nächste große Schritt könnten Batterien sein, die auf ein festes statt flüssiges Elektrolyt setzen. Forschungen dazu gibt es seit geraumer Zeit. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI hat nun eine Studie erstellt, die die Chancen dafür auslotet.

Derzeit dominieren Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mit flüssigem Elektrolyt den Markt der Traktionsbatterien. Meist wird ein Mix aus Nickel, Mangan und Kobalt (NMC) in verschiedenen Anteilen verbaut. Zunehmend spielen auch LFP-Zellen eine Rolle, also Lithium-Eisenphosphat-Zellen. Für beide Arten erwarten Fraunhofer ISI weitere Fortschritte, doch es sieht für das kommende Jahrzehnt ein immer geringeres Optimierungspotenzial. Dann könnte diese Art der Speicher Konkurrenz von Batterien mit festem Elektrolyt (SSB für solid-state battery) bekommen.

Aktuell forschen Wissenschaftler sowohl an Anoden- und Kathoden-Materialien wie auch am Elektrolyt selbst. Als Komponenten für feste Elektrolyte setzen sie derzeit auf Lithium und Silizium als Anodenaktiv-Materialien. Anoden aus Lithium-Metall haben ihren Weg zwar noch nicht in Großserien geschafft, versprechen aber höhere Energiedichten als solche aus Silizium. Diese kommt auch in der nächsten Batterie-Generation mit flüssigem Elektrolyt zum Einsatz und wird daher intensiv beforscht.

Beim Material der Kathoden in Kombination mit festen Elektrolyten bleibt es bei der Dominanz von Nickel, kombiniert mit Mangan und Kobalt (NMC) oder Kobalt und Aluminium (NCA). LFP ist allerdings keineswegs aus dem Rennen, denn diese Zellen lassen sich deutlich günstiger herstellen. Langfristig seien auch Kathoden aus Schwefel oder Hochvoltmaterialen denkbar.

Ein erheblicher Teil aktueller Forschungsanstrengungen entfallen auf Materialien des festen Elektrolyts. Das Fraunhofer ISI hat drei vielversprechende Gruppen ausgemacht. Mit einem schnellen Einsatz in Elektrofahrzeugen rechnen sie jedoch in keinem Fall. Polymer-Elektrolyte liegen in der Forschung derzeit vorn und treiben bereits Elektrobusse in Kleinserie an. Dennoch verhinderten zahlreiche Faktoren bislang den Durchbruch zur Großserie. Dazu gehören niedrige Grenzstromdichte und schlechte Kompatibilität mit hohen Spannungen an Kathodenaktiv-Materialien. Die benötigte Betriebstemperatur von 50 bis 80 °C schränkt zudem die Anwendungen auf Fahrzeuge und Geräte ein, die regelmäßig genutzt werden. Potenzial sehen Entwickler hier dennoch, wie auch bei Oxid-Elektrolyten. Sie sind chemisch wie mechanisch stabil. Das Verarbeiten erfordert jedoch ein Sintern, und das bedeutet hoher Energieeinsatz. Zudem besitzt dieses Elektrolyt schlechte ionische Leitfähigkeit.

Als weiteres künftiges Festelektrolyt gelten Sulfid-Elektrolyte. Sie sind einfacher zu verarbeiten, das Material ist weicher und formbarer als ein Oxid-Elektrolyt. Doch auch hier gibt es noch Verbesserungspotential: Das Materialsystem steht nur begrenzt zur Verfügung und die chemische Kompatibilität mit Lithium-Metall und Hochvolt-Kathodenmaterial ist begrenzt.

Die Herausforderungen für Batterien mit festem Elektrolyt unterscheiden sich vielfach nicht grundlegend von den aktuellen Speichern mit flüssigem. Vor allem müssen die Kosten runter. Fraunhofer geht von höheren Preisen zum Marktstart der SSB aus, über Skaleneffekte könnte das auf lange Sicht aber ausgeglichen sein. Weitere Vorteile sind eine höhere Sicherheit, weil keine brennbaren Flüssigkeiten in einer SSB stecken. Allerdings: Sulfid-SE können mit Wasser reagieren und das giftige Gas Schwefelwasserstoff bilden. Und metallisches Lithium ist hochreaktiv. Bei den Themen Energiedichte, Lebensdauer und Langzeitstabilität sehen Forscher mittelfristig mindestens ein jeweils vergleichbares Niveau von LIB und SSB. Eine weitere Herausforderung für Batterien mit festem Elektrolyt wird das schnelle Laden sein.

Für einen Erfolg auf breiter Front müssen die chemische Kompatibilität zwischen Festelektrolyten und den Aktivmaterialien verbessert werden. Dies gilt insbesondere für Lithium-Anoden und Hochvolt-Kathoden. In einer Timeline haben die Experten in der Studie die nächsten Schritte ausgemacht. Sie erwarten, dass die aktuellen Pilotproduktionen der polymerbasierten Feststoffbatterien weiter zunehmen. Bis zum Jahr 2025 sollen dann erste Produktionen für Zellen mit Silizium-Anoden und Sulfid-Festelektrolyt starten. Erst ab Mitte der 2020er-Jahre könnte die Versuchsproduktion für Feststoffbatterien mit Lithium-Metall-Anoden und Oxid-Festelektrolyt beginnen.

An Batterien mit festem Elektrolyt wird weltweit geforscht. Mit einer schnellen Etablierung auf dem Massenmarkt ist dennoch nicht zu rechnen.

(Bild: BMW)

Ab etwa 2028 sei schließlich die Zeit reif für die Sulfid-festelektrolytbasierte Batterien mit Lithium-Metall-Anode, so die Autoren der Studie. Die Kapazität soll also erheblich ansteigen. Forscher rechnen mit einem Markteintritt von Festelektrolyt-Batterien auf Oxid- und Sulfidelektrolyt-Basis zwischen 2025 und 2030. Die Gesamtkapazität des Festelektrolyt-Marktes wird im Jahr 2030 auf 15 bis 55 GWh und im Jahr 2035 auf 40 bis 120 GWh geschätzt. Die riesigen Spannen deuten bereits an, dass es auf diesem sich rasch wandelnden Markt eine Reihe von Faktoren gibt, die sich schlecht einschätzen lassen.

Der Marktanteil von Feststoffbatterien beträgt aktuell weniger als ein halbes Prozent. Er könnte bis 2035 auf über ein Prozent ansteigen. Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten werden also weiterhin den Markt dominieren. „Festkörperbatterien sind eine große Wette auf die Zukunft – der Einsatz lohnt“, fasst Professor Dr. Jürgen Janek von der Justus-Liebig-Universität Gießen und Koordinator des Festbatt-Cluster die Untersuchung zusammen. Auch wenn es einige Zeit dauern dürfte, bis die Feststoffbatterien eine wichtige Technologie auf dem Weltmarkt ist, haben sie das Potenzial, einen immer größeren Marktanteil zu gewinnen.

(mfz)