Sind Feststoffbatterien die Zukunft der E-Mobilität?

Die Lithium-Ionen-Batterie ist der derzeitige Stand der Technik bei Antriebsbatterien in der Automobilindustrie. Sie erhält ihren Namen durch ihre elektrischen Ladungsträger, in diesem Fall also Lithium-Ionen, welche, für die Speicherung der elektrischen Energie genutzt werden. Zusätzlich wird zwischen verschiedenen Kathoden-Materialien in den Batteriezellen unterschieden. Die Zusammensetzungen LFP (LiFePO₄), NCA (LiNi_xCo_yAl_zO₂), NCM (LiNi_xCo_yMn_zO₂ mit x + y + z = 1) sind, neben einigen weiteren, die derzeit am häufigsten verwendeten. Der Zell-Aufbau ähnelt sich in allen Fällen: Ein Stromabnehmer aus Aluminium mit einem lithiumhaltigen Kathodenmaterial beschichtet, ein Separator, lithiumhaltige Leitsalze in einem nichtwässrigen Lösungsmittel als Elektrolyt und ein kupferner Stromabnehmer mit einer Graphitschicht als Anodenmaterial.

Wie ist der Stand der Technik bei Feststoffbatterien und wo gibt es Verbesserungspotenziale?

Im Jahre 2022 arbeitet die Batterie-Forschung schwerpunktmäßig an folgenden Themen: Eine Erhöhung der Ladungskapazität, eine Effizienzsteigerung des Lade-/Entladeprozesses, eine Erhöhung von gravimetrischer und volumetrischer Energiedichte und eine Kostensenkung pro kWh Speicherkapazität.

Solid State Batteriezellen können auf Grund ihrer Eigenschaften Potenziale der volumetrischen Energiedichteerhöhung realisieren, die mit konventionellen Lithium-Ionen-Batterien derzeit nicht möglich sind. Dazu wird im Folgenden auf die besonderen Eigenschaften von Feststoffelektrolyten eingegangen und die Auswirkungen, die diese auf den Aufbau der Batteriezellen haben.

Wie hoch ist die Energiedichte von Solid-State-Batterien?

Die Energiedichte bestimmt, wie viel Energie eine Batterie pro Masse- oder Volumeneinheit speichern kann. Dies ist besonders entscheidend in Anwendungen, wo Größe und Gewicht, wie bei Elektrofahrzeugen oder tragbaren elektronischen Geräten, eine Rolle spielen.

Traditionelle Lithium-Ionen-Batterien, die in vielen modernen Anwendungen wie Smartphones und Elektroautos verwendet werden, haben typischerweise eine gravimetrische Energiedichte (Energie pro Masse) von etwa 150 bis 250 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Ihre volumetrische Energiedichte (Energie pro Volumen) liegt bei etwa 250 bis 700 Wattstunden pro Liter (Wh/L).

Solid-State-Batterien versprechen eine deutliche Steigerung der Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Theoretisch können Solid-State-Batterien eine gravimetrische Energiedichte von bis zu 500 Wh/kg erreichen. Diese Verbesserung wird durch die Verwendung fester Elektrolyte ermöglicht, die es den Batterien erlauben, sicherere und dichtere Elektrodenmaterialien zu nutzen, was wiederum die Kapazität der Batterie erhöht.

In Bezug auf die volumetrische Energiedichte könnten Solid-State-Batterien Werte von über 1000 Wh/L erreichen. Dieser potenzielle Anstieg resultiert aus der effizienteren Packungsdichte der festen Komponenten im Vergleich zu Batterien mit flüssigen Elektrolyten, die zusätzlichen Raum für Separatoren und Schutzmechanismen gegen Leckagen benötigen.

Während die Theorie und die ersten Forschungsergebnisse sehr vielversprechend sind, befindet sich die praktische Umsetzung und kommerzielle Verfügbarkeit von Solid-State-Batterien mit diesen hohen Energiedichten noch in der Entwicklung. Die aktuellen Herausforderungen wie die Herstellungskosten, Ionenleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen und die Schnittstellenstabilität müssen noch überwunden werden, bevor diese hohen Energiedichten in kommerziellen Produkten realisiert werden können.

Der Wechsel auf einen Feststoffelektrolyten bringt eine Reihe Potentiale zur Steigerung der volumetrischen Energiedichte. Da sich nur Feststoffe in der Batteriezelle befinden, werden diese auch als All-Solid-State-Lithium-Ion-Batteries beschrieben.

Lithium-Metallanoden beispielsweise können aufgrund der extremen Reaktivität in Verbindung mit konventionellen Elektrolyten nicht eingesetzt werden, sehr wohl aber in Verbindung mit einem Feststoffelektrolyten. Damit ist bezogen auf das Aktivmaterial eine volumetrische Kapazitätserhöhung der Anode um etwa den Faktor 10 möglich. Im weiteren Entwicklungsverlauf ist es auch denkbar, anodenfreie Zellen einzusetzen. Dabei liegt im entladenen Zustand ein unbeschichteter Kupferableiter vor, der beim Ladevorgang durch Lithium-Ionen aus der Kathode mit einer Lithiumschicht belegt wird. Der Prozess ist vergleichbar mit Lithium-Plating in konventionellen Batteriezellen und ist in diesem Zusammenhang aber erwünscht. Hochgerechnet auf Zellebene ist mit Lithium-Metallanoden bei gleichbleibender Kapazität ein verringertes Zellvolumen von 15 bis 25 Prozent vorstellbar.

Das Kathodenmaterial ist meist in den Feststoffelektrolyten eingebettet, um den Kontakt zu gewährleisten, welcher sonst über die Benetzungsfähigkeit des flüssigen Elektrolyten generiert wird. Der Elektrolyt erfüllt mit seinen Eigenschaften, eine gute ionische Leitfähigkeit kombiniert mit einer guten elektrischen Isolation. Daher erfüllt er die Ansprüche an einen Separator und kann diesen somit ersetzen.

Mit einem Feststoffelektrolyten ergeben sich mehrere Vorteile: Durch die erheblich höhere spezifische Kapazität der Lithium-Metallanode kann diese entsprechend dünner ausgeführt werden, was zu einer kompakteren Batteriezelle und somit steigender Energiedichte führt. Ein Separator ist nicht notwendig, was den Aufbau vereinfacht und neben dem Kohlenwasserstoffelektrolyten die zweite, stark temperaturempfindliche Komponente ersetzt. Dies führt dazu, dass eine Feststoffbatterie das Potential hat, temperaturstabiler zu sein und sich beispielsweise ein interner Kurzschluss nicht durch Schmelzen des Separators über die gesamte Zelle ausbreiten kann, sondern bestenfalls lokal beschränkt bleibt. Im Detail ist dieses Potential stark vom genutzten Feststoffelektrolyten abhängig. Keramikbasierte Elektrolyte beispielsweise sind sehr temperaturstabil, während polymerbasierte Elektrolyte in einem zu konventionellen Elektrolyten vergleichbaren Temperaturfenster genutzt werden können. Ein temperaturstabilerer Elektrolyt und Separator führt dazu, dass die gespeicherte Energie im Schadensfall langsamer freigesetzt wird und erheblich besser kontrollierbar ist, was auf sicherheitsrelevante Eigenschaften wie die thermische Propagation innerhalb einer Traktionsbatterie positive Auswirkungen hat.

Ohne flüssigen Elektrolyten wird auch eine Leckage der Zelle verhindert, wie sie beispielsweise bei mechanischen Beschädigungen, Vibration, Schocks oder durch Materialermüdung auftreten kann. Elektrolytaustritt kann auch ausgelöst werden durch elektrisch leitfähige Partikel, die im Produktionsprozess auftreten und die Isolationsschicht zweier nebeneinander befindlicher Zellen durchbrechen können. Dadurch senkt sich das über ein Resistive Positive Terminal (RPT) eingestellte galvanische Potential des Zellgehäuses ab und es kann zu Lithium-Aluminium Legierungsbildung innerhalb der Zelle kommen, was aufgrund der spröden, rissigen Struktur von LiAl vergleichbar mit einem Durchrosten der Zelle von innen ist. Die giftigen und entzündlichen Flüssigelektrolyte stellen in diesen Fällen eine erhebliche Gefahr für die Produktsicherheit dar, welche bei Feststoffelektrolyten konzeptbedingt vermieden werden kann.

Die elektrochemische Stabilität bei höheren Spannungen ist nicht grundsätzlich höher als bei Flüssigelektrolyten. Polymerbasierte Elektrolyte eignen sich beispielsweise gut zur Anwendung mit LFP-Kathoden, während NMC auf Grund der höheren Spannung nicht genutzt werden kann. Eine Verwendung in Verbindung mit Lithium-Metallanoden ist jedoch möglich. Sulfidbasierte Elektrolyte sind nicht stabil gegenüber Lithium-Metallanoden oder hohen Zellspannungen, können aber eine stabile Solid Electrolyte Interphase (SEI) sowie eine Cathode Electrolyte Interphase (CEI) ausbilden, die wiederum stabil gegenüber beidem ist. SEI und CEI sind beides dünne Schichten bestehend aus Reaktionsprodukten der Bestandteile der Aktivmaterialien und dem Elektrolyten. Sie inertisieren die Oberflächen der Elektroden und verhindern somit weitere Reaktionen, so dass sie in ihrer Dicke nur langsam über den Verlauf der Zelllebensdauer wachsen und ein quasistabiles System schaffen.

Die Verwendung von keramikbasierten Feststoffelektrolyten ermöglicht höhere Spannungen als mit konventionellen Elektrolyten, gleichzeitig ist es auf Grund ihrer Härte und Sprödigkeit schwierig, eine gute Verbindung zu den Aktivmaterialien der Elektroden herzustellen. Deswegen werden oft geringe Mengen flüssigen Elektrolyts beigegeben, wodurch eine Benetzung der Oberflächen und somit gute Kontaktierung sichergestellt wird. Bei diesem Verfahren limitiert der flüssige Elektrolyt jedoch trotz der geringen Menge sowohl die maximale Spannung als auch die Betriebstemperatur der Zelle.

Herausforderungen bei der Entwicklung von Solid-State-Batterien

Die Entwicklung von Solid-State-Batterien (Festkörperbatterien) ist ein vielversprechendes, aber komplexes Unterfangen, das verschiedene technische und wirtschaftliche Herausforderungen mit sich bringt:

Ionenleitfähigkeit: Feste Elektrolyte haben typischerweise eine niedrigere Ionenleitfähigkeit als flüssige Elektrolyte. Diese geringere Leitfähigkeit kann die Leistung der Batterie beeinträchtigen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen und hohen Ladegeschwindigkeiten. Die Entwicklung von Materialien mit höherer Ionenleitfähigkeit, die auch bei Umgebungstemperatur effektiv funktionieren, ist daher entscheidend.

Interfacedynamik: An den Schnittstellen zwischen dem festen Elektrolyt und den Elektroden können sich Probleme ergeben, wie beispielsweise schlechte Kontakte oder die Bildung von Interphasenschichten, die den Ionentransfer blockieren können. Solche Probleme können die Leistung und Lebensdauer der Batterie erheblich beeinträchtigen. Das Verständnis und die Optimierung dieser Schnittstellen ist daher ein kritischer Aspekt der Forschung.

Mechanische Stabilität: Feste Elektrolyte und Elektroden können unter Betriebsbedingungen mechanischen Spannungen ausgesetzt sein, insbesondere während des Ladens und Entladens, wenn die Elektrodenmaterialien ihre Volumen ändern. Diese Spannungen können zu Rissen oder Delamination an den Schnittstellen führen, was die strukturelle Integrität der Batterie gefährdet.

Herstellung und Skalierung: Die Herstellung von Solid-State-Batterien ist komplex und kostenintensiv, vor allem aufgrund der hohen Reinheitsanforderungen und der präzisen Schichtung der Materialien. Die Entwicklung kosteneffizienter Herstellungsverfahren, die sich auf große Stückzahlen skalieren lassen, ist eine wesentliche Herausforderung für die kommerzielle Einführung dieser Technologie.

Kosten: Die verwendeten Materialien, insbesondere neuartige oder seltene Materialien für feste Elektrolyte, können teuer sein. Zusätzlich erfordern die präzisen Herstellungsverfahren, die für die Realisierung einer hohen Leistungsfähigkeit notwendig sind, erhebliche Investitionen in spezialisierte Produktionsausrüstung.

Integration in bestehende Systeme: Die Integration von Solid-State-Batterien in bestehende elektronische und elektrische Systeme stellt weitere Herausforderungen dar, darunter die thermische Management-Strategie und das Batteriemanagementsystem, das möglicherweise angepasst werden muss, um die unterschiedlichen Eigenschaften fester Elektrolyte zu berücksichtigen.

Wann werden Solid-State-Batterien massentauglich?

Die Kommerzialisierung und Skalierbarkeit von Solid-State-Batterien ist eine der größten Herausforderungen auf dem Weg zur Marktreife dieser Technologie. Obwohl die Batterien durch ihre hohe Energiedichte, Sicherheit und Langlebigkeit klare Vorteile bieten, stellen die hohen Produktionskosten und die Komplexität der Herstellung erhebliche Hürden dar. Insbesondere die Herstellung von Feststoffelektrolyten in großen Mengen ist noch nicht ausreichend optimiert. Aktuelle Produktionsverfahren sind oft zu langsam und teuer, um mit bestehenden Lithium-Ionen-Batterien zu konkurrieren.

Ein weiterer entscheidender Punkt ist die Anpassung der bestehenden Produktionsinfrastruktur. Viele Fabriken sind derzeit auf die Fertigung von Lithium-Ionen-Akkus ausgelegt, und eine Umrüstung für Solid-State-Batterien würde hohe Investitionen erfordern. Unternehmen wie Toyota und QuantumScape investieren stark in die Entwicklung effizienter Produktionsprozesse, jedoch fehlt es noch an standardisierten Verfahren, die eine großflächige Einführung ermöglichen.

Forschung und Investitionen spielen hier eine Schlüsselrolle. Durch technologische Fortschritte wie die Automatisierung und die Verwendung günstigerer Materialien könnten die Produktionskosten in den kommenden Jahren gesenkt werden. Zudem wird die Weiterentwicklung der skalierbaren Fertigungstechnologien entscheidend sein, um die Nachfrage in der Automobilbranche und in anderen Industrien zu bedienen.

Dennoch bleibt die Frage offen, wann der Durchbruch auf kommerzieller Ebene gelingt. Branchenexperten prognostizieren, dass Solid-State-Batterien innerhalb der nächsten 5 bis 10 Jahre marktreif sein könnten, doch dies hängt stark von der Innovationskraft der Unternehmen und der Unterstützung durch staatliche Subventionen ab. Neben den Kosten bleibt auch der Aufbau einer stabilen Lieferkette für kritische Materialien wie Lithium und Kobalt ein wichtiges Thema für die Skalierbarkeit.

Ein weiterer Aspekt, der oft übersehen wird, ist die Integration von Recyclingverfahren in die Produktionsprozesse. Die Entwicklung effizienter Recyclinglösungen für Feststoffbatterien wird nicht nur die Skalierbarkeit verbessern, sondern auch die Umweltbilanz dieser Technologie nachhaltig beeinflussen.

Recycling von Feststoffbatterien: Nachhaltige Lösungen für die Zukunft

Das Verbesserungspotential von All Solid State Lithium-Ion-Batteries gegenüber konventionellen Lithium-Ion-Batteries liegt primär in einem Zugewinn an Sicherheit, volumetrischer und gravimetrischer Energiedichte und Lebensdauer. Die durch die Nutzung von Feststoffelektrolyten realisierte höhere volumetrische Energiedichte resultiert hauptsächlich aus energiedichteren Elektrodenmaterialien wie zum Beispiel Lithium-Metall oder der Möglichkeit, anodenfreie Konzepte verfolgen zu können. Vorteile in der Sicherheit ergeben sich beispielsweise bei keramikbasierten Feststoffelektrolyten durch die höhere Temperaturstabilität. Zusätzlich kann der hohe Brennwert von kohlenwasserstoffbasierten Flüssigelektrolyten reduziert werden, welcher im thermal runaway einer Zelle eine wesentliche Rolle spielt.

Die volumetrische Energiedichte von Solid State Zellen könnte sich im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen Zellen um bis zu 50 Prozent erhöhen. Dies ermöglicht beispielsweise größere Speicherkapazitäten für höhere Reichweiten und größere Freiheiten in Design und Konzeptionierung der Fahrzeuge. Die gravimetrische Energiedichteerhöhung von bis zu 25 Prozent bringt großes Leichtbaupotential, welches auch direkte Auswirkungen auf die Auslegung anderer Komponenten wie Fahrwerk und Karosseriestruktur hat und so zu Synergieeffekten führen kann.

Die Herausforderungen liegen im Jahre 2022 bei der Entwicklung eines geeigneten Feststoffelektrolyten, der alle in Tabelle 1 genannten Anforderungen gleichermaßen erfüllt, keine Einschränkung der Lebensdauer bedingt und in Großserie effizient produzierbar ist. (prm)