Feststoffbatterie: Die Zukunft der E-Autos?

Die Funktionsweise von Feststoffbatterien ist ähnlich zu der von Lithium-Ionen-Akkus. Unterschiede bestehen allerdings hinsichtlich des verwendeten Materials. Denn Feststoffbatterien bestehen im Gegensatz zu den Lithium-Ionen-Varianten aus einem Festkörper. Dieser wird bei der Produktion anstelle eines flüssigen Elektrolyten verwendet.

Der Festelektrolyt transportiert die Ionen zwischen Anode und Kathode. Dies ermöglicht, dass die Elektronen in Gegenrichtung wandern und für den Stromfluss sorgen können.

Feste Elektrolyte ermöglichen bei der Batterie-Herstellung alternative Anodenmaterialien. Üblicherweise fertigt man diese aus Graphit an. Bei Feststoffbatterien könnte man die Anode allerdings aus Lithium herstellen, das ein viel höheres elektrochemisches Potenzial hat. Allerdings sind diese alternativen Produktions- und Funktionsweisen bislang noch nicht umfassend erforscht und getestet worden. Es gibt zudem noch keinen Hersteller, der sich zu Lithium-Anoden bekennt. Unterdessen hat sich bei den Elektrolyten dieser Batterie-Art Keramik auf Schwefelbasis als Material durchgesetzt.

Energiedichte, Sicherheit und Lebensdauer: Batterien von E-Autos müssen sowohl hohe Energie- als auch Leistungsdichten aufweisen:

• Energiedichte: Kompakte Größe, niedriges Gewicht aber höhere Reichweite.
• Leistungsdichte: Gibt an, wieviel Leistung ein Akku pro Zeiteinheit aufweisen kann. Es geht hierbei also um die Geschwindigkeit und die Beschleunigung.
  

Vorteile:

Vor allem in Sachen Energiedichte können Feststoffbatterien punkten. Wir haben die wichtigsten Vorteile im Überblick:

• Reichweite: QuantumScape Feststoffbatterien bieten eine größere Kapazität und ermöglichen eine bis zu 80 % höhere Reichweite als Lithium-Ionen-Akkus gleicher Größe.
• Sicherheit: Die Leitfähigkeit der Ionenleiter erhöht sich gemeinsam mit steigender Temperatur. So wird verhindert, dass sich die Batterie selbst überhitzt und Sie genießen eine sichere Fahrt.
• Schnellere Ladezeiten: Feststoffbatterien laden wesentlich schneller als Lithium-Ionen-Akkus.
  

Außerdem weisen Feststoffbatterien eine längere Lebensdauer auf: Lithium-Ionen-Batterien erreichen max. 3.000 Ladezyklen, Feststoffbatterien dagegen bis zu rund 100.000, weil sich der keramische Elektrolyt nicht zersetzt.

Nachteile:

• Einen Großserienmaßstab mit Feststoffbatterien zu realisieren, gestaltet sich aktuell für die meisten Hersteller noch schwierig.
• Viele Experten rechnen mit höheren Kosten für die Festkörperbatterien im Vergleich mit den aktuell verbauten Akkus.

Eine aktuelle Studie von Minviro zeigt: Aufgrund der Technologie der Feststoffbatterien kann man den CO2-Fußabdruck von Elektroautobatterien um fast 40 Prozent reduzieren – wenn bei der Herstellung die klimafreundlichsten Rohstoffe genutzt werden. Dadurch wird die Umweltbilanz von E-Autos noch besser.

Denn die Feststoffbatterie speichert mehr Energie bei geringerem Materialeinsatz. Außerdem gibt es neue Abbaumethoden und Lithium kann aus geothermischen Quellen gewonnen werden. So benötigt man für den Herstellungsprozess viel weniger Rohstoffe.

Sie fragen sich, wann Feststoffbatterien in Serienproduktion gehen? Seit 2020 werden sie schon in den Linienbussen eCitaro von Daimler serienmäßig verbaut. Dabei bestehen die Elektrolyte aus Kunststoff, die man vor dem Start des Fahrzeugs beheizen muss.

Nach einem Brand in einem Stuttgarter Busdepot wurden die eCitaros allerdings zurückgerufen, um die Batterien auf einen Isolationsfehler zu überprüfen.

Laut Schätzungen der Hersteller sollen die Batterien aus Feststoff ab 2025 in Elektroautos verbaut werden.

Nissan hat bereits angekündigt, ab 2021 mit einem Pilotprojekt zu starten und will 2028 das erste Serienauto auf den Markt bringen. Mercedes kooperiert seit Anfang 2022 mit dem taiwanesischen Anbieter Prologium und investiert in die Technik der Feststoffbatterien. Das US-Unternehmen QuantumScape arbeitet mit VW zusammen und forscht intensiv an dieser vielversprechenden Batterieart. Diese produzierten Batterien sollen eine Energiedichte von 400 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) vorweisen.

Zum Vergleich: Lithium-Akkus mit flüssigen Elektrolyten liegen meist bei 250 Wh/kg. Zudem wurde Anfang 2022 eine neue Zelle mit 16 Schichten vorgestellt, die für 500 Ladezyklen genutzt werden konnte.

Derzeit interessieren sich immer mehr Hersteller für Feststoffbatterien als Alternative zum Lithium-Ionen-Akku. So dürfte man wohl noch in diesem Jahrzehnt die ersten E-Autos mit diesen innovativen Batterien kaufen können. Welcher Hersteller das erste Fahrzeug mit Feststoffbatterie auf den Markt bringt und wie teuer es ist, bleibt abzuwarten.

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