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Feststoffbatterie im Auto: Das kann die neue Akku-Technologie
27. Oktober 2022
Elektroautos und E-Mobilität

Feststoffbatterie im Auto: Das kann die neue Akku-Technologie

Auf diese Akku-Technologie hoffen Autoindustrie und automobiler Stammtisch gleichermaßen: Feststoffbatterien werden von vielen Herstellern als entscheidender Schritt im Vorankommen der E-Mobilität angepriesen. Manch potenzieller Käufer eines E-Autos denkt deswegen sogar über eine Aufschiebung der Kaufentscheidung nach. Schließlich sollen diese Feststoff-Akkus mehr Energie speichern, schneller laden, die Sicherheit erhöhen und dabei noch deutlich weniger kosten. Es wird also viel versprochen.

Hier erklären wir dir, was bei dieser Stromspeicher-Variante konkret anders funktioniert, welche technischen Herangehensweisen die Hersteller verfolgen und wann der Feststoff-Akku tatsächlich in Serienfahrzeugen zu finden ist – falls sich die Verheißungen der Technologie erfüllen.

Kurzüberblick zur Feststoffbatterie

  • Deutlich schnellere Ladezeiten als bei derzeitigen Elektroautos

  • Verdopplung derzeitiger Reichweiten ohne drastische Gewichtserhöhung der Akkus

  • Wer ein Elektroauto kaufen will, sollten jedoch nicht auf die Technologie warten – Serienreife ist noch nicht in Sicht

Feststoffbatterie: Baugruppen und Limitierung des klassischen Akkus

So sieht Zukunftstechnologie aus: Feststoffbatterien in der Produktion. (Bild: Nissan)

Viele bemühen im Zusammenhang mit der Feststoffbatterie die Phrase des „Gamechangers“ – doch klären wir zunächst die grundsätzliche Funktion der Technologie: Die wesentlichen Bestandteile eines Akkus sind die beiden „Seiten“ Anode und Kathode. Die direkte Übersetzung in Plus- und Minuspol trifft die Sache unzureichend, weil die Energie in beide Richtungen fließen kann. Je nachdem, ob der Akku gerade geladen oder entladen wird.

Beim umgangssprachlichen Energiefluss handelt es sich um Ionen (positiv geladene Atome), die sich zwischen Anode und Kathode bewegen. Das funktioniert mithilfe eines Transportstoffes. Diese Aufgabe erfüllt im heute gebräuchlichen Lithium-Ionen-Akku ein flüssiger Elektrolyt. Konkret handelt es sich um eine organische Flüssigkeit mit guter Leitfähigkeit – aber auch mit leichter Entflammbarkeit.

Deshalb müssen Entwickler klassischer Lithium-Ionen-Akkupakete eines unbedingt vermeiden: Funkenflug. Denn dieser würde den Elektrolyt entzünden und die Zelle in Brand setzen. Als Folge ereignet sich zumeist das, was Techniker als “Thermal Runway” bezeichnen: Die Nachbarzelle gerät ebenfalls in Brand, steckt wiederum die nächste Zelle in Brand – bis das gesamte Fahrzeug in Flammen steht.

Ein potenzieller Grund für den beschriebenen Funkenflug könnte ein Kurzschluss sein. Er entsteht, wenn Anode und Kathode direkt verbunden werden. Im klassischen Akku mit flüssigem Elektrolyt verhindert das eine dünne Schicht, die als Separator bezeichnet wird. Stark vereinfacht handelt es sich um eine Folie, die die Pole trennt.

In der Regel funktioniert der Akku mit dieser Herangehensweise bestens. Bei längerer Nutzung kann jedoch ein Problem auftreten: Im Laufe der Akku-Lebensdauer können sich an der Anode stachelförmige Ablagerungen (Fachausdruck: Dendriten) bilden. Diese durchstoßen unter Umständen die trennende Separator-Schicht und erzeugen den heiklen Funkenflug.

Aber keine Angst: Aktuell gebräuchliche E-Auto-Akkus sind dennoch sicher, denn die Hersteller umgehen das Problem mittels der Materialauswahl an Anode und Kathode. Sie wählen Werkstoffe, an denen es nicht zur Ausbildung der Dendriten-Stachel kommt. Das erfordert jedoch technische Kompromisse, die eine bei einer Feststoffbatterie nicht vorkommen.

Feststoffbatterie im E-Auto: Grundsätzliches und Vorteile

Der feste Separator spart Platz und bietet trotzdem Sicherheit – das ist der größte Vorteil der Feststoffbatterie. (Bild: BMW)

Die Grundzüge der Akku-Funktionsweise bleiben bei der Feststoffbatterie dieselben: Es geht um zwei Elektroden (Anode und Kathode) und einen Stoff als leitenden Vermittler. Letzterer macht den technologischen Unterschied. Das Wort „fest“ im Begriff Feststoffbatterie meint den Elektrolyt, der eben nicht flüssig ist. Der Nachteil des klassischen, flüssigen Leitstoffes im bisher gebräuchlichen Li-Ion-Akku liegt dabei nicht im Aggregatszustand direkt, sondern in der oben beschriebenen Entflammbarkeit der Flüssigkeit. Das ist der Hauptgrund, warum sich Entwickler einen generellen Sicherheitszuwachs durch die Feststoffbatterie erhoffen.

Die vielzitierten Vorteile bei Speicherkapazität und Ladedauer hängen dagegen mit dem Entfall der entflammbaren Flüssigkeit zusammen. Denn dieser Schritt würde es den Entwicklern erlauben, neue Materialien zu nutzen und eine höhere Energiedichte erreichen. In aktuell verbauten Akku-Zellen kommt an der Anode meist Graphit zum Einsatz. Es ist dabei anderen möglichen Materialien in den für Energiedichte und Ladekapazität relevanten Punkten zwar unterlegen. Aber Graphit reduziert die potenzielle Ausbildung der beschriebenen Dendriten.

Fällt nun die entflammbare Flüssig-Komponente weg, kann das Graphit anderen Stoffen weichen. Dann nehmen metallisches Lithium oder Silizium dessen Platz an der Anode ein. Beim vermittelnden Feststoff kommt in aktuellen Forschungsprojekten zumeist Keramik zum Einsatz. Dessen wesentlicher Unterschied zu dem Werkstoff, der Blumenvasen und Katzen-Skulpturen formt: Keramik enthält im Akku Schwefel- oder Sauerstoff-Verbindungen. Dadurch bleibt die Substanz überraschend weich. Entwickler beschreiben die Konsistenz im Feststoff-Akku mit jener von Gouda-Käse.

Festkörper-Batterie: Potenzielle Auswirkungen auf künftige E-Autos

Allein davon hat allerdings der Elektroauto-Fahrer nichts. Was sind die konkreten Vorteile der Feststoffbatterie im Alltag und fürs E-Auto? Zum einen in Bezug auf die Akku-Größe im Verhältnis zur darin speicherbaren Energie.

Der Begriff Energie-Dichte beschreibt, wie viele Wattstunden das Speichermedium pro Kilogramm transportieren kann. Und hier liegt das Ziel bei einer Verdoppelung: 500 Wattstunden liefern die Akku-Pakete aktueller Elektroautos pro Kilogramm. Bei der Feststoffbatterie visieren Akku-Entwickler 1.000 Wattstunden pro Kilogramm an. Das schein ein realistisches Ziel zu sein. Aktuelle, zur Forschung genutzte Systeme, kommen bereits auf rund 800 Wattstunden pro Kilogramm.

Dieser Vorteil hat großes Potential für die Zukunft der Elektromobilität. So könnten leichtere Autos gebaut werden oder gleichschwere, welche dafür deutlich größere Reichweiten fahren können. Vermutlich gibt es für beide Anwendungsfälle eine Zielgruppe: Große Akku-Pakete würden langstreckentaugliche Fahrzeuge mit Energie versorgen, während kleine Energiespeicher in sportlichen oder eher günstigen Modellen zum Einsatz kämen.

Daneben könnte die Festkörper-Batterie die Wartezeit an der Ladesäule verkürzen. Denn in Praxis erlauben die neuen Materialien an den Elektroden neue Rekorde bei der Ladeleistung. Das amerikanische Batterie-Forschungsunternehmen QantumScape, an dem beispielsweise Volkswagen beteiligt ist, lässt sich folgendermaßen zitieren: „Beim Schnellladen lässt die Festkörper-Batterie den bisherigen Rekordhalter Porsche Taycan klar hinter sich.“ Und der lädt immerhin mit bis zu 270 kW Ladeleistung. Allerdings: Einen konkreten Wert für seine Entwicklung nennt QuantumScape vorerst nicht.

Marktstart der Feststoffbatterie: Ausblick, Einordnung, Preisentwicklung

Von Serienreife kann man noch nicht sprechen, doch die Forschung schreitet voran. (Bild: Nissan)

Für viele potenzielle Elektroauto-Käufer lautet die entscheidende Frage: Lohnt sich das Warten auf das erste Auto mit Feststoffbatterie? Trotz aller geschilderten Vorteile lautet die Antwort aus mittelfristiger Perspektive eher: nein. Denn von einer Serienreife ist die Feststoffbatterie noch weit entfernt. Manche Batterieforscher bezweifeln gar, ob die Technologie überhaupt einmal für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet sein wird. Steht also in absehbarer Zukunft ein Autokauf an, so sollte nicht auf die Innovation gewartet werden.

Dies gilt, obwohl viele etablierte Hersteller auf diese Technologie setzen. So beteiligte sich Volkswagen im Jahr 2020 mit rund 200 Millionen Dollar am erwähnten US-Spezialisten QuantumSpace. Das Joint-Venture gilt als führender Entwickler der Feststoffzellen-Technik. Daneben bekräftigen unter anderem Nissan, BMW, die Stellantis-Gruppe (Opel, Peugeot, Fiat, Chrysler) und die Akku-Spezialisten von Panasonic oder LG ihr Bekenntnis zum Feststoff-Akku. Unternehmensberater gehen davon aus, dass praktisch jeder Volumenhersteller von Kraftfahrzeugen diese Technologie-Option bei seinen aktuellen strategischen Entscheidungen berücksichtigt.

Doch wann es so weit ist, da lehnt sich inzwischen kein Hersteller mehr allzu weit aus dem Fenster. Vor einigen Jahren wollten Toyota und Renault Anfang der 2020er Jahre mit der Feststoffbatterie auf den Markt kommen, inzwischen nennt Toyota einen Zeitraum ab 2025 und vor 2030. Toyota testet die Technologie nach eigenen Angaben bereits auf der Straße. Nissan geht von 2028 aus. Am nächsten an der Gegenwart liegt der prognostizierte Marktstart derzeit bei der Stellantis-Gruppe. Der verortet die Festkörperbatterie-Premiere im Serienauto rund um das Jahr 2026.

Hier wird die Feststoffbatterie schon jetzt genutzt

Volkswagen und Mercedes bleiben weniger konkret, sie sprechen aber ebenfalls von einer Premiere im aktuellen Jahrzehnt. Das wohlgemerkt, obwohl Mercedes streng genommen bereits ein Feststoffbatterie-Fahrzeug im aktuellen Sortiment führt. Eine kleine Serie des Linien-Busses e-Citaro fährt mit Lithium-Metall-Polymer-Akkus des französischen Mischkonzerns Bollore. Die Batterie enthält weder Kobalt noch Nickel. Daimler Trucks gibt an, dass die Energiedichte rund 25 Prozent über der von Lithium-Ionen-Akkus liegt.

Allerdings müssen die Akkus vor der Fahrt auf rund 50-80 Grad Celsius vorgewärmt werden. Das dauert seine Zeit. Daher sind die Akkus vor allem für den Dauerbetrieb geeignet. Zudem wird der Akku mit Strom beheizt, was die Reichweite reduziert. Citroen hat Bollores Lithium-Metall-Poymer-Technik 2016 im e-Mehari eingesetzt, welcher jedoch kein Erfolg wurde. Das lag auch an der niedrigen Reichweite (unter 200 km) in Verbindung mit nur 3,3 kW Ladeleistung. Einen Einsatz bei 20 Grad Celsius oder weniger sieht auch Bollore frühestens 2026.

Daneben bleibt die Kostenfrage. Aktuelle Akku-Produktionsanlagen ließen sich wohl recht einfach anpassen. Doch einen Ausblick auf die Preisentwicklung der Elektroautos liest man selten. Immerhin eine der raren Prognosen dürfte Interessenten gefallen: Laut Nissan werden Kosten und Verkaufspreise der Elektroautos mit der Feststoffbatterie günstiger. Nissan erwartet im Jahr 2028 für Feststoffbatterien Kosten von 75 US-Dollar pro Kilowattstunde, später 65 US-Dollar. Zum Vergleich: Ende 2021 kostete eine Kilowattstunde im Elektroauto laut Bloomberg rund 118 US-Dollar.

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Titelbild: BMW

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