Festkörper – batterien: die neue Grenze der Elektrifizierung?

Der Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie

Das Bild unten zeigt die Struktur einer aktuellen Lithium-Ionen-Zelle, die Technologie, die heute in der überwiegenden Mehrheit der Elektrofahrzeuge auf der Straße verwendet wird. Was beobachten wir?

^[Abb.1]

Jede Lithium-Ionen-Zelle hat:

• Zwei Elektroden oder Verbindungen, die in der Lage sind, die Einlagerung von Lithiumionen in ihre Struktur aufzunehmen. Genauer gesagt reden wir über:
  • eine Kathode, also den Pluspol der Batterie, bestehend aus Kathodenmaterial (z.B. LFP, NMC, LMO usw.) und Stromabnehmer
  • Eine Anode, also den Minuspol der Batterie, bestehend aus Anodenmaterial (z. B. Kohle oder Graphit) und Stromabnehmer
• Ein zentraler Separator, d. h. eine dünne Schicht aus einem Kunststoffpolymer (Polyethylen oder Polypropylen), die als mechanischer Separator zwischen Anode und Kathode wirkt und eine isolierende Funktion erfüllt.
• Ein Elektrolyt: d. h. das Medium, durch das sich die Ionen bewegen; eine organische Flüssigkeit, die Lithiumsalz enthält. Der Elektrolyt füllt das gesamte Volumen innerhalb der Zelle aus, benetzt die Elektroden, ermöglicht den Transport der Lithium-Ionen, indem er als Bindeglied zwischen Kathode und Anode fungiert.

In einer aktuellen Lithium-Ionen-Batterie hat der Separator keine anderen Funktionen als die isolierende und ist vollständig in den flüssigen Elektrolyten eingetaucht, der alles im Inneren der Zelle benetzt und zum eigentlichen Mittel wird, durch das die Lithiumionen transportiert werden, und zwar zwischen Kathode und Anode, wo die Anode aus einer Graphitstruktur besteht. Die Lithiumionen wandern dann durch den Elektrolyten und lagern sich in den Kristallstrukturen der beiden Elektroden, Anode und Kathode, ein (Strukturen mit Leerräumen im Inneren, in denen die Lithiumionen, die sehr kleine Partikel sind, eingebettet werden können).

Der Aufbau einer Festkörperbatterie

Die innere Struktur einer Festkörperzelle ist dagegen sehr unterschiedlich, da alle ihre Elemente fest sind. Wenn in herkömmlichen Lithiumbatterien der Elektrolyt eine Flüssigkeit ist, werden die Festkörperzellen gebildet durch:

• Eine Kathode (oder positive Elektrode), die mit den gleichen Verbindungen wie eine Lithium-Ionen-Batterie hergestellt werden kann (z. B. LFP, NMC, LMO usw.)
• Einen Separator, tendenziell Keramik oder festes Polymer, der auch als Elektrolyt fungiert
• Eine Anode, die aus metallischem Lithium (reinem Lithium) besteht

^[Abb.2]

Die graue Schicht in der Mitte ist der Festkörperseparator, der alleine sowohl den Platz des Separators zwischen Anode und Kathode als auch des Elektrolyten einnimmt. Er wird daher zum  eigentlichen Medium, durch das sich die Ionen bewegen, und hat auch Eigenschaften eines elektrischen Isolators und eines mechanischen Separators zwischen Anode und Kathode. Die Tatsache, dass es sich um einen starken, widerstandsfähigen Träger handelt, ermöglicht es, die Graphitstruktur auf der Anodenseite zu entfernen und sicherzustellen, dass sich das Lithium in metallischer Form direkt auf der Anode ansammelt (es gibt auch halbfeste Lösungen, bei denen der Elektrolyt in Gelform vorliegt).

Wie funktioniert die Festkörperbatterie?

Wenn die Zelle geladen wird, bewegen sich die Lithiumpartikel von der Kathode, durchqueren die Struktur der Atome, aus denen der Separator besteht, und fügen sich dann zwischen den Separator und den elektrischen Kontakt der Anode ein und bilden so eine feste Schicht aus reinem Lithium.  Auf diese Weise besteht die Anode nur aus den Lithiumpartikeln und hat dann ein geringeres Volumen als die Anode der Lithium-Ionen-Technologie, die die Graphitstruktur enthält.

Was sind die aktuellen Stärken der Festkörperbatterietechnologie?

Festkörperbatterien versprechen auf dem Papier vielfältige Verbesserungen gegenüber den aktuell im Handel erhältlichen Batterien. Tatsächlich scheint der Festelektrolyt eine größere Energiedichte, eine lange Lebensdauer und größere Sicherheit bieten zu können, und das alles bei geringerer Größe.

Es muss jedoch daran erinnert werden, dass sich diese Technologie noch in der Entwicklung befindet und bis heute Lithium-Ionen-Batterien die leistungsstärkste Technologie auf dem Markt sind, mit einer Vielzahl von Chemikalien, die jeweils für unterschiedliche Zwecke geeignet sind, jetzt verfügbar sind und in großem Umfang produziert werden.

Aber werfen wir einen Blick auf die Vorteile, die Festkörperbatterien bieten:

Sicherheit als Schlüsselfaktor

Festkörperbatterien haben keinen flüssigen Elektrolyten, der bei Lithium-Ionen-Batterien eine der herausforderndsten Komponenten aus sicherheitstechnischer Sicht darstellt, weil er flüchtig und damit leichter entflammbar ist. Außerdem wird dieser durch eine dickere Separator-Schicht ersetzt, die aus einem mechanisch widerstandsfähigeren Material gegen hohe Temperaturen besteht (weil mit keramischer Zusammensetzung mit verschiedenen Zusätzen); dies macht die Trennung zwischen Anode und Kathode zuverlässiger, um auch bei Missbrauch oder Verschlechterung des Zustands das Auftreten von Kurzschlüssen zu verhindern, wodurch sich die Eigensicherheit der Zellen erhöht.

Natürlich sind nicht alle Lithium-Ionen-Batterien gleich sicher. Über dieses Thema haben wir im Artikel „Risiken von Lithium“ gesprochen: Können Sie einer Lithiumbatterie wirklich vertrauen?

Ein weiterer Sicherheitsvorteil ergibt sich aus der größeren Resistenz gegen Dendriten, also gegen die unregelmäßigen und spitzen Ansammlungen von Lithium, die sich beim Übergang von der Kathode zur Anode bilden. Lithium bewegt sich nämlich nicht regelmäßig, sondern neigt dazu, sich anzusammeln und Spitzen zu bilden, die wie echte Nadeln wachsen und in extremen Fällen sogar den Separator durchbohren können. Der feste Separator hingegen ist dank seiner Dicke widerstandsfähiger gegen das Eindringen von Dendriten und vermeidet daher mögliche Kurzschlüsse sowie eine fortschreitende Verschlechterung des Zustands der Zelle.

^[Abb.3]

Energiedichte auf Rekordniveau

Durch die höhere Eigensicherheit wird eine weitere wichtige Verbesserung ermöglicht: Die Verwendung einer rein metallischen Anode begünstigt eine deutliche Steigerung der Energiedichte. Dies ist im Wesentlichen auf das Verschwinden der Graphitanode zurückzuführen (die bei Lithium-Ionen-Batterien die Ionen enthält, wenn sie wandern). In einer Festkörperbatterie bleiben im Moment des Durchgangs nur die Ionen übrig, und es fehlt ein Teil der Platz raubenden und schweren Verbindung, die nicht aktiv in die Energiegewinnung eingreift.

Nach neuesten Studien hätten Festkörperbatterien eine 2 / 2,5-mal höhere Energiedichte als die aktuelle Lithium-Ionen-Technologie, und dieser große Vorteil würde zu mehr Leichtigkeit und kleineren Abmessungen führen. Definitiv ein Wendepunkt für die Elektromobilität, die von größerer Autonomie und weniger Gewicht profitieren würde, aber denken Sie daran, dass die Gewissheit dieser Daten erst erlangt wird, wenn diese Technologie offiziell bereit ist.

Ultraschnelle Ladezeiten

Die neuesten Studien haben gezeigt, wie Festkörperbatterien in der Lage wären, sich bis zu 6-mal schneller aufzuladen als die jetzigen Technologien, die im Handel sind. Aber selbst diese Zahl ist noch ungewiss und wird davon abhängen, wie diese neue Technologie entwickelt wird. Es gibt bereits Prototypen von Festkörperbatterien, die sich sehr schnell aufladen, aber auf Kosten anderer entscheidender Faktoren, um eine gute Leistung zu erzielen. Diesen Vorteil gilt es auf die Waage zu bringen, und zwar zusammen mit anderen wesentlichen Eigenschaften, die diese Batterien haben müssen. Erst dann wird die gültigere Alternative auch auf der Kostenseite bewertet werden.

Bislang steht fest, dass Flüssigelektrolyte tendenziell unter hohen Temperaturen leiden, während Festelektrolyte hingegen bei hoher Temperatur effizienter werden und dies ihre Leistungsfähigkeit beim Schnellladen begünstigen würde, einer Arbeitsphase, die typischerweise zu einem deutlichen Temperaturanstieg führt.

Schnellere Produktion

Es gibt diejenigen, die argumentieren, dass ein Festkörperelektrolyt, da er nicht flüssig ist, einen schnelleren und einfacheren Produktionsprozess ermöglichen kann, der weniger Material und Energie verbraucht; aber selbst diese Theorie, obwohl verständlich, ist noch nicht nachweisbar und wird es erst sein, wenn diese Technologie wirklich in großem Maßstab produziert wird.

Allerdings können wir mit Sicherheit sagen, dass das Befüllen der Zelle mit dem Elektrolyten heute ein Prozess ist, der viel Zeit erfordert: Die Zelle muss leer zusammengebaut werden und ein Loch haben, von dem aus später der Elektrolyt eingefüllt wird. Dann muss gewartet werden, bis der Elektrolyt vollständig absorbiert ist, und anschließend muss nachgefüllt werden, um ihn auszugleichen und abzudichten. Es handelt sich daher sicherlich um eine einschneidende Phase im Produktionsprozess und mit dem Festkörper könnte es möglicherweise eine echte Verbesserung geben, aber um die richtigen Schlussfolgerungen zu ziehen, warten wir auf eine echte Produktion von Zellen dieses Typs.

Die Festkörperbatterietechnologie hat noch viele Einschränkungen, aber wir könnten sie auch als Herausforderungen bezeichnen!

Wie wir gesehen haben, werden Festkörperbatterien der nahen Zukunft das Potenzial haben, enorme Vorteile zu bieten, die die Fahrzeugleistung und -effizienz steigern und den Elektrifizierungssektor der Automobilindustrie revolutionieren werden. Doch die Markteinführung des Festkörpers schien schon vor einigen Jahren bevorzustehen, stattdessen ist die Wende noch nicht erreicht. Warum?

So wie es viele Vorteile gibt, gibt es auch einige Grenzen, die durch das junge Alter dieser Technologie gegeben sind, welche noch nicht ausgereift ist und sich ständig weiterentwickelt. Genau aus diesem Grund können wir diese Grenzen als echte Herausforderungen bezeichnen, die es zu bewältigen gilt, und neue große Ziele, die es zu erreichen gilt. Entdecken wir sie zusammen!

Stabilitätsprobleme

Während des Ladens und Entladens ist die Festkörperzelle so, als würde sie atmen. Die Dicke der Anode aus metallischem Lithium nimmt während der Ladephase zu und während der Entladephase ab, und wie alle Elemente, die nicht stabil sind, führt dies auf lange Sicht zur Verschlechterung des Zustands.

Das Hauptproblem ergibt sich aus der Schwierigkeit, Festkörperzellen gleichzeitig fixiert und komprimiert zu halten.

Eine Zelle muss komprimiert gehalten werden, damit sich die inneren Schichten nicht lösen, aber es reicht nicht aus, sie in eine Sicherheitsstruktur zu schrauben, da diese ständig „atmen“ muss. Daher muss eine komplexe mechanische Struktur geschaffen werden: Bei den Prototypen von „Tisch“-Festkörperbatterien werden Platten mit Federn installiert, die alles komprimiert halten, aber das ist ein komplexes und aufwändiges System, das nicht in großem Maßstab reproduzierbar ist.

Aufgrund ihrer Zusammensetzung ist es nicht möglich, das Aufquellen einer Festkörperzelle zu verhindern. Die Forschung kann jedoch daran arbeiten, wie man sie unter dem Gesichtspunkt des Drucks weniger anspruchsvoll machen kann (damit die Zelle von selbst stabil bleibt, ohne diesen ganzen Druck zu benötigen, sondern vielleicht nur mit Hilfe eines Füllstoffs) oder an der Untersuchung fortschrittlicher Materialien, die in der Lage sind, die Ausdehnung der Zelle zu ermöglichen und sie trotzdem gut fixiert und komprimiert zu halten.

Separator, der nur bei hoher Temperatur funktioniert

Ionen sind Materie, Atome, und es ist daher intuitiv, dass sie sich in einer Flüssigkeit leichter bewegen, während ein Feststoff (keramischer Separator) eine bestimmte Zusammensetzung haben muss, um einen leichten Ionen-Durchgang erlauben zu können.

Es gibt bereits Separatoren, die in diesem Sinne leistungsfähig sind, aber nur bei hoher Temperatur, denn feste Elektroden werden erst bei Temperaturen über 50 Grad zu guten Leitern. Diese Einschränkung macht die Festkörpertechnologie im realen Fahrzeugeinsatz noch kaum anwendbar, da nicht davon ausgegangen werden kann, dass die Batterie immer warm ist. Wenn die Festkörperbatterie nicht warm ist, sinkt ihre Leistung derzeit drastisch. Es muss daran gearbeitet werden, dass der Festelektrolyt bei immer niedrigeren Temperaturen gut funktioniert.

Lebenszyklen noch gering

Die Lebenszyklen von Festkörperbatterien, die sich derzeit in der Testphase befinden, sind sogar noch kürzer als bei anderen Lithium-Ionen-Technologien, wie beispielsweise der LFP-Chemie, die 4.000 Ladezyklen leicht überschreitet.

Das Hauptproblem besteht darin, dass es sehr schwierig ist, einen guten Kontakt zwischen allen Schichten der Zelle zu erreichen. Wenn Sie beginnen, den Kontakt zwischen den Schichten zu verlieren, verliert die Zelle ihre Kapazität und Leistung.

Hohe Kosten

Derzeit sind die Kosten für eine Festkörperbatterie sehr hoch, da es sich um eine extrem innovative Technologie handelt; daher sind sowohl die Materialien als auch die Produktionsprozesse so, dass die Kosten zwangsläufig höher sind als bei Massenbatterien. Es ist noch nicht klar, wie hoch die endgültigen Kosten dieser Technologie sein werden, aber wir können sicherlich davon ausgehen, dass die großen Automobilhersteller, wenn sie in diese Richtung investieren, genügend Elemente haben werden, um zu glauben, dass sich auch die Kosten bei der Großserienfertigung anpassen.

Doch was werden die Haupteinsatzgebiete von Festkörperbatterien sein?

Obwohl Festkörperbatterien noch einige Probleme zu lösen haben, ist ihre Markteinführung mittlerweile sicher und ihr breiter Einsatz wird in all jenen Bereichen erwartet, in denen bisher die Energiedichte ein limitierender Faktor ist, weil der Platz derzeit nicht ausreicht, um all die Energie zu speichern, die man braucht. Tatsächlich werden Festkörperbatterien mit der doppelten Energiedichte eine Verdopplung der Autonomie ermöglichen und gelten heute als die Zukunft des Automobilmarktes und allgemeiner der gesamten Mobilität.

Auch die Branche der Industriemaschinen und die der Elektrofahrzeuge blickt mit Neugier auf diese neue Technologie: Dies ist der Fall bei sehr energieintensiven Maschinen oder schweren Fahrzeugen, die oft eine große Autonomie erfordern und bei denen bis heute das Volumen im Vergleich zur Menge an Energie, die verwendet werden könnte, gering ist.

Die Einführung einer Technologie der Festkörper-Batterien könnte sicherlich sinnvoll sein, um  die Kategorie der elektrifizierbaren Fahrzeuge weiter auszubauen. Wenn Festkörperzellen also neben der hohen Energiedichte an allen Fronten konkurrenzfähig würden, könnten sie sicherlich auch für die Zukunft der industriellen Elektrifizierung ein gangbarer Weg sein.

Wann kommen Festkörperbatterien auf den Elektromarkt?

Die Festkörperbatterie ist keine Science Fiction, ganz im Gegenteil! Bei kleinen Anwendungen ist sie bereits Realität, wie z. B. einigen Verbraucherbatterien oder einigen Fahrzeugen wie Autobussen, die für den intensiven Gebrauch ausgelegt sind und in denen die Batterie den ganzen Tag ununterbrochen verwendet wird und wo sie immer warm gehalten wird, funktioniert sie ohne große Probleme.

Der Festkörper wird daher bereits bei geringen Volumina eingesetzt in:

• Batterien, die unter kontrollierten klimatischen Bedingungen funktionieren
• Batterien für Luft- und Raumfahrtanwendungen
• Hybridbatterien zwischen festem oder halbfestem Zustand

Ein Beispiel für einen realen Fall sind die 50 E70-Autos mit Semi-Solid-State-Batterien, die kürzlich von der chinesischen Dongfeng Motor Corporation auf den Markt gebracht wurden: eine Art technologische Premiere, bei der die Semi-Solid-State-Batterien anscheinend durch eine Reihe von Simulationstests hervorragende elektrochemische Eigenschaften gezeigt haben.

Wie werden sie sich langfristig verhalten? Sicherlich hat der chinesische Autohersteller die Augen der gesamten Automobilwelt auf sich gerichtet, wir werden seine Entwicklung sehen. Es könnte auch nur eine sehr gute Marketingaktivität sein, um ihre Marke zu bewerben und sie vor anderen mit dieser neuen Technologie in Verbindung zu bringen, aber es ist nicht sicher, ob sie die Massenproduktion erreichen werden.

Sicher ist, dass sich echte Festkörperbatterien für den Einsatz im Automobilbereich noch in einer Experimentierphase befinden, bei der noch große Herausforderungen offen sind, die ihre Massenproduktion heute limitieren. Es gibt jedoch viele Autohersteller, die an dieser vielversprechenden Technologie interessiert sind, wie Mercedes, Volkswagen, Toyota und viele andere, die enorme Ressourcen in ihre Erforschung und Entwicklung investieren. Sie werden diejenigen sein, die über die ersten endgültigen Technologien verfügen werden, welche bereits zwischen 2024 und 2026 angekündigt werden, solange die Einschränkungen gelöst sind.

Anmerkungen

^{Quelle Abb. 1: Bild inspiriert vom QuantumScape video „What are Solid-State Lithium-Metal Batteries?“ https://youtu.be/azACL3lLMo8
Quelle Abb. 2: Bild inspiriert vom QuantumScape video „What are Solid-State Lithium-Metal Batteries?“ https://youtu.be/azACL3lLMo8
Quelle Abb. 3: Bild aus dem Artikel „Source of Detrimental  Dendrite Growth in Lithium Batteries discovered“ – MSE Supplies
https://www.msesupplies.com/blogs/news/source-of-detrimental-dendrite-growth-in-lithium-batteries-discovered}