Stärkere Akkus in Sichtweite

Der Clou: metallisches Lithium

Doch das allein erklärt nicht das große Interesse der Automobilindustrie an der neuen Technologie. So wirbt der weltweit größte Autohersteller Toyota mit „mehr Reichweite und schnellerem Laden“ und sieht die Feststoffbatterie als „Energiespender der Zukunft“. Diese Vorteile kann der Batterietyp tatsächlich bieten, betont der Gießener Forscher – aber nur dann, wenn nicht nur der Elektrolyt im Lithium-Ionen-Akku ersetzt wird, sondern auch das Material der Anode, das als Bunker für die energiegeladenen Ionen dient. Bei den herkömmlichen Zellen dient dafür Grafit – ein Material aus reinem Kohlenstoff –, der in vielen atomar dünnen Schichten übereinander angeordnet ist. Zwischen den Schichten lassen sich mit hoher Geschwindigkeit Lithium-Ionen einlagern und, wenn elektrischer Strom benötigt wird, auch wieder herausholen.

Doch das braucht Platz. Oder anders ausgedrückt: In einer bestimmten Menge von Grafit lässt sich nur eine begrenzte Menge der Ladung speichern. Anders bei einer Anode aus Lithium-Metall: Sie kann pro Volumen im Vergleich zu Grafit ein Vielfaches an Lithium-Ionen speichern. Experten sagen: Das Material hat eine wesentlich höhere spezifische Kapazität. „Lithium-Metall als Anodenmaterial besitzt das Potenzial, die Energiedichte auf Zellebene erheblich zu steigern und damit die Reichweite von Elektroautos deutlich zu verlängern“, stellt Stefano Passerini fest, Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU), wo etliche Teams die Eigenschaften unterschiedlicher Arten von Batterien erforschen.

Ermöglicht wird die Verwendung von metallischem Lithium erst durch die Kombination mit festen Substanzen. Denn mit einem flüssigen Elektrolyten würde das chemisch hochreaktive Metall rasch reagieren. In einer Feststoffbatterie könnte es zudem einen weiteren Vorteil bieten: die Schnellladefähigkeit. „Das ist ein wesentlicher Punkt, der heute vor allem durch die Grafit-Anode begrenzt wird“, betont Jürgen Janek. Aber ganz praktisch liegt eine Grenze auch in der Leistung der Ladestationen: Dass Feststoffbatterien wegen der besonderen Eigenschaften der festen Elektrolyte mit sehr hohen Laderaten glänzen können, haben Forscher bei Toyota schon vor einigen Jahren gezeigt. Das Team von Janek an der Universität Gießen hat erst vor Kurzem demonstriert, dass auch die Lithium-Metallanode sehr hohe Laderaten zeigen kann.

Hinzu kommen weitere Pluspunkte von Feststoffbatterien wie die Unempfindlichkeit gegenüber tiefen Temperaturen: „Bei niedrigen Temperaturen gelieren flüssige Elektrolyte“, sagt Janek. Sie frieren quasi ein. „Dadurch nimmt ihre Leitfähigkeit stark ab“, erklärt der Forscher. Ein Festelektrolyt hingegen verändert sich bei Kälte nicht – er ist ja bereits „erstarrt“. Zudem machen diese Werkstoffe die Zelle robust und langlebig.

Allerdings: Ob diese Pluspunkte künftig dazu beitragen können, der Elektromobilität weiteren Aufschwung zu geben, ist noch nicht ausgemacht. Denn auf dem Weg von Laborexperimenten und ersten kleinen Prototypen zu großen Festkörperakkus für den Massenmarkt haben Wissenschaftler und Ingenieure noch einiges an Arbeit vor sich. „Wir können noch nicht einmal sagen, ob große Feststoffbatterien tatsächlich so sicher sein werden wie erhofft, da es schlicht noch keine großen Demonstratoren gibt“, sagt Materialforscher Janek. Und auch andere grundlegende Probleme sind nicht abschließend gelöst. Zum Beispiel das Wachstum sogenannter Dendrite: fingerartiger Strukturen, die dadurch entstehen, dass sich Lithium ungleichmäßig an einer Elektrode anlagert. Sie verschlechtern die Eigenschaften der Batteriezelle und können sogar zu einem Kurzschluss führen.

Zudem verändert sich durch das Einlagern und Entnehmen von Lithium-Ionen beim Laden oder Entladen das Volumen der Anode um mehrere Prozent – egal, ob diese aus Grafit oder Lithium-Metall besteht. „Die Aktivmaterialien atmen“, sagt Janek. „In Akkus mit flüssigem Elektrolyten wird das ausgeglichen, indem die Flüssigkeit in Randbereiche der Zelle gedrückt wird.“ Doch bei einem festen Elektrolyten ist das nicht möglich. Die Folge: Das Metall der Anode kann sich vom Elektrolyt lösen, es bilden sich Risse – „ähnlich wie Rost, der von einem metallischen Untergrund abblättert“. Auch die Kathode zeigt Volumenänderungen bei Ladung und Entladung. Die sind etwas geringer, können aber auch für Probleme sorgen.

Wie sich solche Effekte vermeiden lassen, untersuchen Forscher unter anderem im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Kompetenzcluster FestBatt und in einem neuen Forschungsprojekt, das im Herbst 2021 gestartet ist. An dem Projekt namens „Alano“ sind etliche Forschungsinstitute wie das HIU in Ulm, die Uni Gießen und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie Industrieunternehmen beteiligt.

Mühsamer Weg zur Massenfertigung

Eine weitere Hürde sind geeignete Produktionstechniken und Prozesse, um Feststoffbatterien für den Massenmarkt herzustellen – und das zu wettbewerbsfähigen Kosten. Und: Unklar ist bislang, welcher Stoff sich am besten als Festelektrolyt eignet. Dafür kommen im Wesentlichen drei Arten von Materialien infrage, von denen jedes Vor- und Nachteile hat. So sind Festelektrolyte aus Polymeren seit Langem erforscht und werden auf der Basis von Polyethylenoxid auch bereits verwendet. „Allerdings haben Polymerelektrolyte bei Raumtemperatur eine relativ geringe Leitfähigkeit“, sagt Janek. „Sie müssen daher für den Betrieb auf 70 oder 80 Grad Celsius geheizt werden.“ Das macht sie für eine Anwendung in Pkw unattraktiv, erlaubt aber ihre Nutzung für Fahrzeuge im Dauerbetrieb, etwa Busse.

Eine Alternative dazu sind keramische Oxide. Sie leiten die Ionen deutlich besser, sind aber in der Herstellung problematisch: Es formen sich einzelne Körnchen, zwischen denen Poren entstehen – Hohlräume, die die elektrische Leitfähigkeit des Akkus als Ganzes herabsetzen. Daher bauen viele Entwickler derzeit auf Sulfide – feste Schwefelverbindungen –, die mechanisch einfacher zu verarbeiten sind. Bei ihren elektrochemischen Eigenschaften können sie ohne Weiteres mit flüssigen Elektrolyten mithalten.

„Wie die erfolgreiche Lösung am Ende aussehen wird, ist offen“, sagt Jürgen Janek. „Letztlich könnte es sein, dass ein hybrider Elektrolyt das System der Wahl ist, etwa eine Kombination aus Polymer und Keramik.“ Fest steht: Die Entwicklung auf diesem Gebiet verläuft ausgesprochen schnell. Und parallel zur Grundlagenforschung feilen einige Unternehmen bereits an anwendungsreifen Produkten.

Vorreiter sind dabei Unternehmen aus China und den USA. So hat die junge Firma Quantumscape aus Kalifornien nach eigenen Angaben einen Prototyp von Feststoffbatterie entwickelt, der eine rund doppelt so hohe Energiedichte hat wie ein Lithium-Ionen-Akku. Die Batterie soll sich in 15 Minuten auf 80 Prozent des maximalen Energiegehalts laden lassen und für E-Autos rund 50 Prozent mehr Reichweite bieten als herkömmliche Akkus. Dann wären 1000 Kilometer Fahrtstrecke und mehr pro Akkuladung mühelos möglich. Ähnlich optimistische Meldungen kamen vom Konkurrenten Solid Power aus Colorado, der 2022 mit der Fertigung erster Feststoffbatterien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen beginnen will.

Beide Unternehmen können auf Partnerschaften mit Autoherstellern bauen. So hat Volkswagen 400 Millionen US-Dollar in Quantumscape investiert und sich so ein Vorkaufsrecht für die Akkus des Unternehmens gesichert. In Salzgitter könnte bald eine Fabrik für die Pilotfertigung der Zellen entstehen. BMW und Ford kooperieren mit Solid Power. Der Münchener Konzern hat angekündigt, deutlich vor 2025 ein Demofahrzeug mit ausgereifter Feststoffbatterie an Bord zu zeigen. „Die Feststoffbatterie ist eine der vielversprechendsten und wichtigsten Technologien hin zu effizienteren, nachhaltigeren und sichereren Elektrofahrzeugen“, meint BMW-Entwicklungsvorstand Frank Weber.

Jürgen Janek ist mit seiner Einschätzung etwas vorsichtiger. Serienfahrzeuge mit Feststoffbatterie erwartet er frühestens 2030. Und er hält es noch nicht einmal für ausgemacht, ob diese Technologie tatsächlich in Automobilen Einzug halten wird. Denn eine Herausforderung der E-Mobilität lässt sich damit nicht lösen: der wachsende Bedarf an Rohstoffen wie Lithium, Kobalt oder Nickel, deren Kosten durch die zunehmende Zahl an batteriebetriebenen E-Autos und marktübliche Spekulation (siehe „Im Lithium-Rausch“ ab S. 18). Das könnte dazu führen, dass die Entwicklung noch eine Wendung in eine andere Richtung nimmt. Denn Forscher arbeiten weltweit an der Entwicklung von Natriumbatterien – mit flüssigem oder festem Elektrolyten.

Mit Überraschungen rechnen

Eine Perspektive bieten auch Lithium-Ionen-Akkus mit Eisenphosphat als Kathodenmaterial. Bisher enthält die Kathode meist Metalle wie Nickel, Kobalt und Mangan. Auch in Feststoffbatterien sind das derzeit die Kathodenmaterialien der Wahl. Sie durch Rohstoffe zu ersetzen, die nachhaltiger und leichter verfügbar sind, könnte im Massenmarkt mehr Vorteile bringen als ein Plus an Reichweite. „In der Batterieentwicklung gab es immer wieder Überraschungen“, sagt Janek. „Damit sollten wir auch künftig rechnen.“ Die aktuelle Wette der Industrie auf die Feststoffbatterie als Technik der Zukunft ist nach Meinung des Forschers daher noch lange nicht entschieden.

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