Feststoffbatterie

Eine Feststoffbatterie ist ein wiederaufladbarer Zelltyp, bei dem der flüssige Elektrolyt einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie durch ein festes Material ersetzt wird. Der Elektrolyt ist das Medium, durch das die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen zwischen den beiden Elektroden wandern; in heutigen Batterien handelt es sich dabei um eine brennbare Flüssigkeit oder ein Gel. Diese durch einen Feststoff zu ersetzen, sei es eine Keramik, ein Glas oder ein spezielles Polymer, gilt als einer der vielversprechendsten Wege zur nächsten Generation von Elektroauto-Batterien, da sich allein durch diese veränderte Architektur mehr Reichweite, schnelleres Laden und höhere Sicherheit erreichen lassen.

Der Reiz des Feststoffansatzes liegt teils im Verhalten des festen Elektrolyten selbst, teils in dem, was er ermöglicht. Ein fester Elektrolyt brennt nicht, läuft nicht aus und verträgt Wärme weit besser, was den gefährlichsten Versagensmechanismus von Lithium-Ionen-Zellen, das thermische Durchgehen, ausschließt und den Bedarf an aufwendiger Kühlung und Schutzmaßnahmen verringert. Entscheidend ist, dass ein hinreichend robuster Feststoff als Barriere gegen die metallischen Nadeln wirken kann, die als Dendriten bekannt sind, im Zellinneren wachsen und Kurzschlüsse verursachen. Genau diese Barriere könnte endlich den Einsatz einer reinen Lithium-Metall-Anode anstelle des heutigen Graphits erlauben, eine Änderung, die deutlich mehr Energie auf gleichem Raum unterbringt.

Diese höhere Energiedichte ist das eigentliche Versprechen. Eine Zelle mit Lithium-Metall-Anode hinter einem festen Elektrolyten könnte bei gegebenem Gewicht und Volumen erheblich mehr Energie speichern, was sich in Elektroautos mit größerer Reichweite niederschlägt oder umgekehrt in derselben Reichweite aus einem kleineren, leichteren und günstigeren Batteriepaket. Feste Elektrolyte vertragen prinzipiell auch die hohen Ströme sehr schneller Ladevorgänge besser als Flüssigkeiten, sodass Ladezeiten im Bereich von Minuten statt mehrerer Dutzend Minuten in Reichweite rücken, während die inhärente Sicherheitsreserve eine dichtere Anordnung der Zellen erlaubt.

Die Schwierigkeit besteht darin, diese Versprechen in millionenfach herstellbare Produkte zu überführen. Einen festen Elektrolyten zu schaffen, der Lithium-Ionen ebenso bereitwillig leitet wie eine Flüssigkeit und dabei dauerhaft perfekten Kontakt zu den Elektroden hält, während diese sich mit jedem Ladezyklus ausdehnen und zusammenziehen, hat sich als äußerst schwierig erwiesen. Diese enge Grenzfläche über Tausende von Zyklen zu erhalten, Dendriten zuverlässig zu unterdrücken und all dies zu Kosten und in einem Maßstab zu leisten, die für bezahlbare Autos taugen, sind gewaltige fertigungstechnische Herausforderungen. Daher befindet sich die Technik weitgehend noch im Vorserienstadium, ist Gegenstand intensiver Forschung und von Pilotlinien, aber noch nicht von Großserienfahrzeugen, und die angekündigten Zeitpläne haben sich wiederholt verschoben.

Die Feststoffbatterie versteht sich am besten als der angestrebte Nachfolger der Lithium-Ionen-Batterie, die heutige Elektroautos antreibt, einschließlich ihrer gängigen NMC- und LFP-Chemien. Während diese die Materialien der Elektroden beschreiben, bezeichnet die Bezeichnung Feststoff den Elektrolyten dazwischen, und der zentrale Grund für die große Aufmerksamkeit liegt im Potenzial, die Batteriekapazität weit über das hinauszuheben, was heutige Chemien zulassen.