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Fraunhofer-Studie: Festkörperakku startet frühestens 2025

Polymer-Elektrolyten sind schon in Elektrobussen im Einsatz, doch Keramikelektrolyten sind noch nicht verfügbar

fraunhofer-studie: festkörperakku startet frühestens 2025

Heutige Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt sind noch nicht der Weisheit letzter Schluss, wenn es darum geht, Elektroautos mit Strom zu versorgen. Künftig sollen sie von Akkus mit festem Elektrolyten ersetzt werden, von denen man sich höhere Energiedichten, schnelleres Aufladen und mehr Sicherheit verspricht. In einer Studie hat nun das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI das Potential der Technik untersucht.

Immer wieder ist zu lesen, dass heutige Lithium-Ionen-Batterien nach einem Unfall Feuer fangen oder explodieren – und die großen Batterien lassen sich schwer löschen. Zudem kann der flüssige Elektrolyt auslaufen und sich entzünden.

Bei Festkörperakkus besteht der Elektrolyt dagegen aus einem schwer entflammbaren Feststoff, der eine hohe Leitfähigkeit für Lithiumionen hat. Eingesetzt werden Kunststoffe sowie oxidische oder sulfidische Keramiken.

fraunhofer-studie: festkörperakku startet frühestens 2025 Mercedes eCitaro G: Fährt schon mit Festkörperbatterien

Elektro-Busse wie der Mercedes eCitaro fahren bereits mit Festkörperbatterien mit Polymer-Elektrolyt. Zu den Nachteilen von Kunststoffen als Elektrolyt gehören eine geringe Ionenleitfähigkeit, chemische Reaktionen mit den Kathodenmaterialien und eine niedrige Grenzstromdichte.

Oxidische und sulfidische Elektrolyten aber sollen frühestens 2025 starten, denn sie sind deutlich schwieriger herzustellen, vor allem in großen Mengen. Für die Produktion von Oxid-Elektrolyten braucht man Sinterprozesse bei hohen Temperaturen, zudem sind oxidische Elektrolyte spröde und schwer zu verarbeiten. Sulfid-Elektrolyten sind elastischer und formbarer, doch die Materialien sind noch nicht in größeren Mengen verfügbar, so die Forschenden.

fraunhofer-studie: festkörperakku startet frühestens 2025 Übersicht von Quantumscape zu verschiedenen Elektrolyt-Arten

Was die Elektroden angeht, so bringt der feste Elektrolyt neue Möglichkeiten, vor allem an der Anode. Während für die Kathode gängige Materialien wie NCA, NCM oder LFP eingesetzt werden dürften, kann man an der Anode metallisches Lithium verwenden, was zu einer deutlich höheren Energiedichte als bei konventionellen Graphitanoden führt. Allerdings reagiert metallisches Lithium auch mit den festen Elektrolyten, was zu geringer Beständigkeit der Batteriezellen führt.

Unproblematischer (weil weit weniger reaktiv) ist Silicium. Es kann deutlich mehr Lithium-Ionen aufnehmen als Graphit. Allerdings vergrößert sich die Anode dabei, was dann wieder mit äußerem Druck ausgeglichen werden muss, damit die Batterie nicht platzt.

Die ersten Pilotanlagen für Festkörperbatterien mit Siliciumanode und Sulfid-Elektrolyt erwarten die Verfasserinnen und Verfasser der Fraunhofer-Studie für 2025. Ab diesem Jahr könnte es auch erste Akkus mit Lithium-Metall-Anode und oxidischen Elektrolyten geben. Zellen mit Lithium-Metall-Anode und sulfidischen Elektrolyten dagegen soll es erst ab 2028 geben, so die Forschenden.

Welche Art von Festkörperbatterie sich durchsetzt, hängt von vielen Eigenschaften ab. Neben einer hohen Energiedichte und guter Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten sowie einem leichten Eindringen der Lithium-Ionen in die Anode sind auch die Kosten entscheidend. Zum Start der Festkörperbatterie wird sie teurer sein als ein Akku mit Flüssigelektrolyt; daher dürften sie zunächst bei Premiumfahrzeugen zum Einsatz kommen, so die Studienautoren.

Unser Titelbild zeigt eine Festkörperzelle in Pouch-Form aus einer Nissan-Versuchsanlage.

Quelle: Fraunhofer-Studie (PDF) via FAZ.net