Superbatterien werden die Leistung von Elektrofahrzeugen verändern

Jul 14, 2023

Auf die Frage, was sie sich von einem Elektroauto am meisten wünschen, nennen viele Autofahrer drei Dinge: eine große Reichweite, eine kurze Ladezeit und einen konkurrenzfähigen Preis gegenüber einem ähnlich ausgestatteten Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Um diese Ziele zu erreichen, haben Automobilhersteller nach Möglichkeiten gesucht, die herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), die die meisten modernen Elektrofahrzeuge (EVs) antreiben, durch fortschrittlichere „Festkörper“-Versionen zu ersetzen. Diese neuen Arten von Superbatterien versprechen seit langem ein schnelleres Laden und eine deutlich größere Reichweite. Nach jahrelangen technischen Problemen zeigen die Bemühungen zu ihrer Herstellung nun endlich Früchte: Die ersten Festkörper-Li-Ionen-Batterien sollen in den nächsten Jahren in Produktion gehen.

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Toyota, der größte Automobilhersteller der Welt, begann 2012, sich mit Festkörperbatterien zu befassen. Im Laufe der Jahre hatte man sogar vor, funktionsfähige Prototypen zu zeigen, obwohl bisher nur wenig davon aufgetaucht ist. Das Unternehmen gab jedoch kürzlich bekannt, dass es einen „technologischen Durchbruch“ erzielt habe und plant, bereits 2027 mit der Herstellung einer Festkörperbatterie zu beginnen. Toyota behauptet, dass seine neue Batterie einem Elektrofahrzeug eine Reichweite von rund 1.200 km (746 Meilen) ermöglichen wird. Das ist etwa doppelt so viel wie bei vielen bestehenden Modellen und lässt sich in rund zehn Minuten wieder aufladen.

Toyota ist nicht allein. Ähnliche Leistungswerte werden von anderen Herstellern angegeben, die Festkörper-Li-Ionen-Batterien entwickeln. Nissan beispielsweise baut in Yokohama ein Pilotwerk, das im nächsten Jahr mit der Produktion von Testversionen beginnen wird. Eine ähnliche Anlage plant BMW in Deutschland in Zusammenarbeit mit Solid Power, einem Batterieentwickler mit Sitz in Colorado. QuantumScape, ein Startup aus dem Silicon Valley, hat mit der Lieferung von Prototypen von Festkörperbatterien an Volkswagen, seinen Hauptförderer, begonnen.

Es ist vielleicht kaum überraschend, dass die Entwicklung einer Festkörperbatterie so lange gedauert hat. Einen neuen Batterietyp in einem Labor zum Laufen zu bringen, ist eine Sache, aber ihn so zu vergrößern, dass Millionen davon in einer Fabrik produziert werden können, ist eine schwierige Angelegenheit. Obwohl sie Ende der 1970er Jahre erfunden wurden, wurden Li-Ionen-Batterien selbst erst in den frühen 1990er Jahren vollständig kommerzialisiert, zunächst für tragbare elektronische Geräte wie Laptops und Mobiltelefone und dann als größere Versionen, die zur Stromversorgung verwendet werden konnten neue Generation von Elektrofahrzeugen.

Elektroautos gibt es seit den Anfängen des Automobils. Tatsächlich zog Clara Ford ihren Detroit Electric von 1914 den benzinbetriebenen Fahrzeugen ihres Mannes Henry deutlich vor. Aber diese frühen Elektrofahrzeuge und andere, die in den Folgejahren auf den Markt kamen, wurden größtenteils von Dutzenden schwerer Blei-Säure-Batterien angetrieben, die teuer waren, eine begrenzte Reichweite boten und oft träge Fortschritte machten. Der Li-Ionen-Akku ist leicht und kann große Ladungen speichern. Er senkte die Kosten und erhöhte die Reichweite (siehe Abbildung 1), sodass die Elektrifizierung des Transportwesens tatsächlich beginnen konnte. Festkörper-Li-Ionen-Batterien könnten einen weiteren Wandel herbeiführen.

Ursprünglich waren Automobilhersteller von Festkörperzellen aus Gründen der Verbesserung der Sicherheit fasziniert, da herkömmliche Li-Ionen-Zellen, so leistungsstark sie auch sind, mit Risiken verbunden sind. Dies liegt daran, dass sie einen flüssigen Elektrolyten enthalten, der typischerweise aus organischen Lösungsmitteln besteht und extrem entflammbar ist. Wenn also ein Li-Ionen-Akku beschädigt wird, was bei einem Unfall passieren kann, oder wenn er beim Aufladen überhitzt, kann er in Flammen aufgehen. Die Verwendung eines nicht brennbaren Festelektrolyten verhindert dies. Festelektrolyte können aus einer Vielzahl von Chemikalien hergestellt werden, darunter Polymere und Keramik. Doch selbst Toyota, der Meister der Massenproduktion, hatte zunächst Schwierigkeiten, Festkörperzellen über einen längeren Zeitraum effizient arbeiten zu lassen.

Ein Festelektrolyt allein verbessert nicht unbedingt die Leistung einer Batterie. Aber es ermöglicht beispielsweise, einen Li-Ionen-Akku so umzugestalten, dass er noch kleiner und leichter gebaut werden kann und so mehr Energie auf weniger Raum unterbringt. Es ermöglicht Ingenieuren außerdem, die Palette der Materialien zu erweitern, die sie zur Herstellung einer Li-Ionen-Batterie verwenden können, und an deren Funktionsweise zu basteln.

Trotz ihrer feurigen Natur werden Elektrolyte aus gutem Grund in flüssiger Form verwendet. Ionen sind geladene Teilchen und werden beim Laden der Zelle an einer der Elektroden der Batterie, der Kathode, erzeugt, wodurch den Lithiumatomen Elektronen entzogen werden (siehe Abbildung 2). Der Elektrolyt stellt ein Medium bereit, durch das die Ionen zu einer zweiten Elektrode, der Anode, wandern. Dabei passieren die Ionen einen porösen Separator, der die Elektroden voneinander trennt und so einen Kurzschluss verhindert. Die an der Kathode erzeugten Elektronen wandern unterdessen entlang der Drähte des externen Ladekreises zur Anode. An der Anode vereinigen sich Ionen und Elektronen wieder und werden dort gespeichert. Wenn sich die Batterie entlädt, kehrt sich der Vorgang um, wobei die Elektronen im Stromkreis ein Gerät mit Strom versorgen – im Fall eines Elektrofahrzeugs seinen Elektromotor.

Damit all dies effizient funktioniert, müssen sich die Ionen problemlos zwischen dem Elektrolyten und den Elektroden bewegen können. Die Elektroden sind mit verschiedenen Materialien in Form von Schichten winziger Partikel beschichtet. Da der flüssige Elektrolyt in einer herkömmlichen Li-Ionen-Batterie in diese Schichten fließen und die Partikel eintauchen kann, bietet er eine große Oberfläche, durch die die Ionen gelangen können. Ein fester Elektrolyt kann nicht in alle Ecken und Winkel fließen, daher muss er stark gegen die Elektroden gedrückt werden, um einen guten Kontakt herzustellen. Dies kann jedoch bei der Konstruktion der Batterie zur Beschädigung der Elektroden führen. Die Lösung dieses sogenannten Leitfähigkeitsproblems sei eine der größten technischen Herausforderungen bei der Herstellung von Festkörperbatterien, sagt Mathias Miedreich, Chef von Umicore, einem in Brüssel ansässigen Unternehmen, das Batteriematerialien liefert.

Trotz ihrer anfänglichen Probleme haben japanische Automobilhersteller im vergangenen Jahr große Fortschritte bei der Entwicklung von Möglichkeiten zur Herstellung von Festkörper-Li-Ionen-Batterien in großem Maßstab gemacht, sagt Herr Miedreich. Da das Unternehmen bei der Einführung von Elektrofahrzeugen etwas hinterherhinkt, glaubt er, dass man mit diesen neuen Batterien die Konkurrenz überholen will. Vielleicht, aber der Wettlauf um den Bau einer Superbatterie ist noch lange nicht gewonnen, nicht zuletzt, weil die Konkurrenten in vielen verschiedenen Formen auftreten.

Einige Festkörperbatterien sind bereits auf dem Markt. Beispielsweise stellt Blue Solutions, ein französisches Unternehmen, das zur riesigen Bolloré-Gruppe gehört, eines her, das ein Polymer als Elektrolyt enthält. Da hierfür eine hohe Betriebstemperatur erforderlich ist, eignet sich die Batterie am besten für Fahrzeuge, die nach dem Aufwärmen der Batterie im Dauerbetrieb bleiben. Daher wird es zum Antrieb von Elektrobussen eingesetzt.

Andere sind so etwas wie ein Zwischenschritt, da sie noch geringe Mengen eines flüssigen Elektrolyten enthalten, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Viele der chinesischen Batteriehersteller, die den Markt dominieren, arbeiten an halbfesten Versionen. Contemporary Amperex Technology (CATL), ein chinesisches Unternehmen, das gemessen an ihrer Gesamtkapazität mehr als ein Drittel der weltweiten Elektrofahrzeugbatterien herstellt, sagt, dass es noch in diesem Jahr mit der Produktion einer halbfesten Version beginnen könnte, die es als „kondensierte“ Batterie bezeichnet. Das Unternehmen gibt an, dass dies sowohl ein hohes Maß an Sicherheit als auch eine große Lagerkapazität bieten wird.

Die Kapazität einer Batterie kann anhand ihrer spezifischen Energie gemessen werden, also der Energiemenge, die pro Gewicht gespeichert werden kann. Laut CATL kann die verdichtete Batterie bis zu 500 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) speichern. Die leistungsstärksten Li-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind, erreichen in der Regel Spitzenwerte von rund 300 Wh/kg. Vollständige Festkörperbatterien können möglicherweise 600 Wh/kg oder mehr erreichen. Batterien mit dieser Leistung und Leichtigkeit steigern nicht nur die Leistung von Elektrofahrzeugen auf der Straße, sondern werden auch die Reichweite kleiner vertikal startender und landender Lufttaxis, die kurz vor der Zertifizierung der Flugtüchtigkeit stehen, erheblich erweitern.

Die Kapazität ist jedoch nur eine Eigenschaft einer Batterie. Ebenso wichtig ist, wie schnell es seine Leistung liefern kann, wie lange es hält und wie viel es kostet. Die Lösung dieser Probleme erfordert jedoch Kompromisse. Beispielsweise dürfte die Erhöhung der speicherbaren Energiemenge die Kosten erhöhen, wenn mehr Lithium benötigt wird. Und regelmäßiges Schnellladen kann die Lebensdauer eines Akkus verkürzen. Der Trick, um die richtige Balance zu finden, hängt von den gewählten Batteriematerialien ab.

Beginnen Sie mit den Kathoden, der teuersten Komponente einer Li-Ionen-Batterie. Theoretisch ist es bei Festkörperbatterien ziemlich unabhängig, welcher Typ verwendet werden soll. Die beiden häufigsten Kathodenarten sind sogenannte NMCs, die Beschichtungen aus Lithium sowie unterschiedlichen Anteilen an Nickel, Mangan und Kobalt enthalten; und LFPs, hergestellt aus einer Mischung von Lithiumeisenphosphat. Durch den Verzicht auf teures Nickel und Kobalt erfreuen sich LFPs zunehmender Beliebtheit. Sie sind eine besondere chinesische Spezialität. Da sie jedoch über eine geringere Speicherkapazität als NMCs verfügen, werden sie eher in Fahrzeugen eingesetzt, die keine hohe Leistung erfordern.

Da Hunderte von Laboren auf der ganzen Welt an neuen Batteriematerialien arbeiten, werden zwangsläufig auch andere Arten von Kathoden auftauchen. Umicore hat sich beispielsweise mit Idemitsu Kosan, einem japanischen Hersteller von Elektrolyten, zusammengetan, um eine Art Material namens Katholyt zu entwickeln, das Kathodenchemikalien mit einem Festelektrolyten zu einer einzigen Schicht kombiniert. Wenn es funktioniert, würde dies den Batteriebau noch einfacher machen. Wissenschaftler arbeiten auch daran, Natrium anstelle von Lithium als Ionenquelle in einer Batterie zu verwenden. Natrium ist reichlich vorhanden und billig, obwohl Lithium als leichtestes Metall bei einigen Transportanwendungen immer noch die Nase vorn hätte.

Auch bei den Anoden sind Veränderungen im Gange. Derzeit werden die meisten Anoden aus Graphit hergestellt, einer reinen Form von Kohlenstoff, der in einigen wenigen Minen, meist in Mosambik oder China, abgebaut oder in petrochemischen Betrieben mit kohlenstoffintensiven Verfahren synthetisch hergestellt wird. Da ein fester Elektrolyt das Risiko unerwünschter Reaktionen verringert, können stattdessen Materialien wie Silizium und bestimmte Metalle, insbesondere Lithium in seiner Metallform, verwendet werden. Diese können auf weniger Raum mehr Energie speichern als Graphit, wodurch Batterien kleiner und leichter gebaut werden können. Zusätzlicher Platz wird eingespart, da ein Festelektrolyt auch als Separator fungieren kann.

Einige Festkörperbatterien sind „anodenfrei“ (auch in Tabelle 2 dargestellt). Dies ist die Richtung, die QuantumScape einschlägt. Es verwendet eine proprietäre Keramik, die sowohl als Separator als auch als Elektrolyt fungiert und zwischen einer Kathode und einer Metallfolie platziert wird. Wenn die Batterie geladen wird, wandern Lithiumionen durch den Festelektrolyten und sammeln sich auf der Folie an, wodurch sie effektiv mit Lithium überzogen wird, um eine funktionierende Anode zu bilden. Beim Entladen der Batterie wandern die Ionen zurück und die Anode schrumpft.

Die Bildung einer Anode auf diese Weise bedeutet, dass sich die Batterie ausdehnt und zusammenzieht. Dies geschieht auch bei herkömmlichen Li-Ionen-Zellen, etwa 4 % im Vergleich zu etwa 15 % bei einer QuantumScape-Zelle, sagt Tim Holme, Mitbegründer des Unternehmens. Dieser Bewegung wird durch die Verpackung der Zellen Rechnung getragen, die in Schichten gestapelt werden, um die Module zu bilden, die eine vollständige Batterie für Elektrofahrzeuge bilden.

Neben einer großen Reichweite und einer schnellen Ladezeit wird der Akku laut QuantumScape auch eine längere „Zykluslebensdauer“ haben. Dies ist ein Maß dafür, wie oft der Akku geladen und entladen werden kann, bevor die Kapazität des Akkus auf unter 90 % sinkt und sein Leistungsniveau zu sinken beginnt. Die QuantumScape-Batterie sollte für mindestens 800 Zyklen geeignet sein, sagt Dr. Holme. Wenn also jede Ladung nur eine durchschnittliche Reichweite von etwa 500 km bieten würde, würde dies einem Elektrofahrzeug immer noch eine lebenslange Reichweite von etwa 400.000 km bescheren – was für jedes Fahrzeug gut ist. Da der Separator der Batterie aus Keramik besteht, verhindert er auch die Bildung von Dendriten, fügt Dr. Holme hinzu. Dabei handelt es sich um fingerartige metallische Mikrostrukturen, die im Inneren eines flüssigen Elektrolyten wachsen und einen Kurzschluss verursachen können. Halbfeste Batterien, einschließlich der kondensierten Variante, könnten weiterhin davon betroffen sein.

Wie gut diese neuen Batterien tatsächlich sind, wird man erst dann wirklich wissen, wenn sie in Autos angekommen sind und die Angaben der Hersteller überprüft werden können. Die beworbene Reichweite bestehender Elektrofahrzeuge kann unter realen Fahrbedingungen unerreichbar sein. Die ersten halbfesten Batterien dürften 2025–2026 in Autos zum Einsatz kommen, sagt Xiaoxi He von IDTechEx, einem Analystenunternehmen. Sie erwartet, dass die ersten Vollmassivversionen, wie sie von Toyota und anderen entwickelt werden, im Jahr 2028 erscheinen.

Zunächst werden die Zahlen gering sein, da die Unternehmen mit der Testproduktion beginnen, bevor sie Milliarden von Dollar in die Umrüstung bestehender „Gigafabriken“ für die Herstellung der neuen Batterien oder den Bau neuer Batterien investieren. Das bedeutet, dass die Batterien bei frühen Anwendungen in Luxus- und Hochleistungsfahrzeugen teuer sein werden, fügt Dr. He hinzu. Es könnte also noch bis in die 2030er Jahre dauern, bis günstigere Festkörperbatterien in Familienautos weit verbreitet sind.

Wie erfolgreich die Massenproduktion bei der Kostensenkung ist, wird weitgehend davon abhängen, wie sich die Rohstoffpreise im nächsten Jahrzehnt entwickeln. „Festkörperbatterien werden deutlich mehr Lithium verbrauchen“, sagt Fabian Duffner von Porsche Consulting, das als eigenständiger Teil des deutschen Sportwagenherstellers geführt wird. Je nachdem, wie sie hergestellt werden, schätzt er, dass Batterien mit Kathoden und Anoden mit höherer Kapazität 40–100 % mehr Lithium benötigen. Gleichzeitig werden die Hersteller auch zusätzliches Lithium benötigen, da sie zunehmend einen größeren Teil ihrer Produktion von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf die Herstellung von Elektrofahrzeugen umstellen.

Die Lithiumpreise, die manchmal auch als „weißes Gold“ bezeichnet werden, befinden sich auf einer Achterbahnfahrt. Ein Großteil des Lithiummarktes wird von China dominiert. Gegen Ende letzten Jahres stiegen die Preise für Lithiumcarbonat in Batteriequalität auf etwa 600.000 Yuan (rund 80.000 US-Dollar) pro Tonne, sind seitdem aber wieder auf etwa 250.000 Yuan gesunken – immer noch etwa doppelt so hoch wie vor zwei Jahren. Auch die Nickelpreise waren volatil.

In einem solch unbeständigen Markt müssen Unternehmen ihre Versorgungsleitungen sichern, fügt Dr. Duffner hinzu. Das wird schwierig, denn obwohl einige neue Minen für Lithium und andere Batteriematerialien, insbesondere außerhalb Chinas, erschlossen werden, kann es ein Jahrzehnt oder länger dauern, bis sie ihre volle Produktion erreichen.

Infolgedessen geht Dr. Duffner davon aus, dass viele der großen Automobilhersteller durch die Zusammenarbeit mit Batterieherstellern und Materialunternehmen stärker vertikal integriert werden. In Japan haben sich Toyota, Nissan und Honda bereits mit den beiden Batterieherstellern Panasonic und GS Yuasa zusammengeschlossen, um ein Konsortium zur Entwicklung von Festkörperbatterien zu bilden.

Das Recycling von Materialien wird etwas helfen. Die meisten Betriebe recyceln bereits Batterien aus Unterhaltungselektronik und werden ihre Kapazitäten ausweiten, um die wachsende Anzahl an Batterien verarbeiten zu können, wenn ältere Elektrofahrzeuge das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Die Methoden sind weit fortgeschritten: Sobald die Batteriezellen isoliert sind, werden sie zerkleinert und Materialien wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan können zurückgewonnen und gereinigt werden.

Redwood Materials, ein Batterierecycler mit Sitz in Nevada, verwendet einige der zurückgewonnenen Materialien zur Herstellung neuer Kathoden und Anoden. Northvolt, ein schwedischer Batteriehersteller mit mehreren Gigafabriken in Europa, hofft, bis zum Ende des Jahrzehnts etwa die Hälfte der benötigten Materialien aus recycelten Batterien zu gewinnen.

Auf die eine oder andere Weise sind also Festkörper-Li-Ionen-Batterien auf dem Vormarsch. Sie scheinen vielversprechend genug zu sein, um es Elektrofahrzeugen endlich zu ermöglichen, mit Fahrzeugen mit schmutzigen, altmodischen Verbrennungsmotoren hinsichtlich Reichweite, Leistung und Komfort zu konkurrieren. Derzeit machen Standard-Li-Ionen-Batterien etwa 40 % der Kosten eines Elektrofahrzeugs aus. Dieser Anteil muss sinken, damit Elektroautos auch preislich mit Festkörper-Superbatterien konkurrieren können. ■

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Dieser Artikel erschien in der Rubrik „Wissenschaft und Technologie“ der Printausgabe unter der Überschrift „Der Wettlauf um den Bau einer Superbatterie“.

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