Roadmap bis 2035

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Feststoffbatterien gelten als die nächste Generation von Akkus. Ihnen wird ein enormes Potenzial nachgesagt. Experten haben sich die Technologie genau eingesehen – und bremsen die Euphorie ein wenig.

Feststoffbatterie: Die Superbatterie der Zukunft?


Das Wettrennen, wer die nächste Superbatterie wird, hat begonnen. Denn so leistungsfähig Lithium-Ionen-Batterien auch sind – sie stoßen langsam aber sicher an ihre Grenzen. Sei es bei der Energiedichte, der Lebensdauer oder auch der Sicherheit. Wissenschaft und allen voran die Autoindustrie suchen daher mit Hochdruck nach neuen Zellkonzepten, die die Lithium-Ionen-Technik eines Tages ablösen sollen. Heißester Kandidat: die Feststoffbatterie.

Bei Feststoffbatterien (englisch Solid-State Battery – SSB) wird die Ladung anders als bei den gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) nicht mehr durch ein flüssiges Trägermaterial transportiert. Dadurch können die Zellen deutlich leichter werden, was sich positiv auf die Reichweite von Fahrzeugen auswirken würde. Angeblich sollen Reichweiten von mehr als 1.000 Kilometern locker erreicht werden können.

„Zudem haben Feststoffbatterien das Potenzial, klassische LIB in puncto Energiedichte zu übertreffen“, wie Forscher vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in einer Roadmap schreiben. Für ihre Studie haben die Wissenschaftler drei der aktuell vielversprechendsten Festelektrolyt-Varianten untersucht und mit den zu erwartenden Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien verglichen: Oxid-Elektrolyte, Sulfid-Elektrolyte und Polymer-Elektrolyte.

Feststoffbatterien bei vielen Leistungsparametern besser

Den Berechnungen der Fraunhofer-Forscher zufolge können Feststoffbatterien aller drei Varianten mit Lithium-Metall-Anoden volumetrische Energiedichten bis zu 1.150 Wh/l und je nach verwendetem Festkörperelektrolyt gravimetrische Energiedichten zwischen 350 und 500 Wh/kg erreichen. Die volumetrische Energiedichte beschreibt, wie viel Energie pro Volumen aus einer Batterie entnommen werden kann. Die gravimetrische Energiedichte gibt an, wie viel Energie pro Gewicht der Batterie gespeichert werden kann.

Kommerzielle LIB bringen es offiziellen Zahlen zufolge bei der volumetrischen Energiedichte bestenfalls auf etwas mehr als 500 Wh/l. Bei der gravimetrische Energiedichte von LIB bleiben die Werte unter der Marke von 300 Wh/kg.

Darüber hinaus gilt die Sicherheit von Feststoffbatterien selbst auf Zellebene als hoch, weil sie keine brennbaren Flüssigkeiten enthalten. Lithium-Batterien gelten im Normalbetrieb zwar ebenfalls als sicher. Doch werden die Akkus fehlerhaft gehandhabt oder gelagert, können sie ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen. Feststoffbatterien könnten daher hochmodernen Flüssigelektrolyt-LIB auch in weiteren Leistungsparametern wie Lebensdauer und Schnellladefähigkeit den Rang ablaufen.

Erster Hochlauf wird auf sich warten lassen

Unterm Strich bescheinigen die Forscher den Feststoffbatterien viel Potenzial. Trotzdem gehen sie davon aus, dass LIB mit flüssigen Elektrolyten den Markt auf absehbare Zeit dominieren werden. Denn bei jeder der untersuchten Feststoffbatterie-Technologien müssen laut Forschern noch Hürden genommen werden – sei es bei der Skalierung der Materialproduktion, der Kompatibilität zwischen den Komponenten sowie den Herausforderungen bei der Produktion.

Hinzu kommen weitere technische Herausforderungen wie etwa Volumenänderungen während des Auf- oder Entladens, was sich negativ auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt. Auch die Schnelladefähigkeit von Feststoffbatterien sei aktuell durch die meist geringe ionische Leitfähigkeit der Festelektrolyte begrenzt. Ihr Design könnte aber speziell dafür angepasst werden.

Und auch was die Kosten angeht, können Feststoffbatterien noch nicht wirklich punkten. Die Fraunhofer-Experten gehen davon aus, dass ihre Kosten zu Beginn der Markteinführung deutlich höher ausfallen werden als bei aktuellen LIB. Das liege unter anderem an den geringeren Produktionsvolumina.


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Die treibende Kraft hinter den SSB-Entwicklungen wird höchstwahrscheinlich der Automobilmarkt sein. Große Autohersteller wie beispielsweise BMW und VW sowie auch Mercedes-Benz und Stellantis sind bereits seit längerem am Thema Feststoffbatterie dran. „Der Automobilmarkt birgt das insgesamt größte Potenzial für Feststoffbatterien und dürfte mittel- bis langfristig deren Hauptanwendungsbereich werden“, wie es in der Studie heißt.

Gleichwohl rechnen die Fraunhofer-Forscher nicht damit, dass oxid- und sulfidbasierte Feststoffbatterien in den nächsten fünf Jahren in größerem Umfang auf dem Automobilmarkt auftauchen werden. Etwas schneller könnte es im Consumer-Markt für Feststoffbatterien auf Basis von Sulfid-Elektrolyten gehen, da in diesem Bereich die Anforderungen und Prüfverfahren weniger streng sind. Als Hauptanwendungen sehen die Autoren der Studie neben Laptops und Smartphones auch Elektrowerkzeuge.

Auf dem Pkw-Markt dürften Feststoffbatterien aufgrund ihrer höheren Anfangskosten zunächst in oberen Marktsegmenten genutzt werden, vermuten die Forscher. Kostenreduzierungen durch Skalierungseffekte könnten der Technologie langfristig helfen, weitere Anwendungsbereiche wie zum Beispiel in Lkw und stationären Speichern erschließen. Auch ein Einsatz in der Passagierluftfahrt wäre denkbar, das aber erst nach 2035.

Europa hinkt hinterher

Die globale Feststoffbatterie-Produktion liegt laut ISI-Roadmap derzeit unter 2 GWh und basiert fast ausschließlich auf Polymer-Feststoffbatterien. Zwischen 2025 und 2030 soll die Produktion stark zulegen – wenn wie erwartet Feststoffbatterien auf Oxid- und Sulfid-Elektrolyt-Basis auf den Markt kommen. Die Produktionskapazität soll den Prognosen zufolge bis 2030 auf 15 bis 55 GWh steigen. Fünf Jahre später könnte die weltweite SSB-Produktion bis zu 120 GWh erreichen.

Das klingt nach einer ganzen Menge – im Vergleich zum gesamten LIB-Markt ist es aber eine eher mickrige Produktionskapazität. Denn die Gesamtkapazität des LIB-Markts wird Schätzungen zufolge im Jahr 2030 zwischen 1 und 6 TWh betragen und im Jahr 2035 bis zu 8 TWh erreichen. Die Gesamtproduktionskapazität für Feststoffbatterien von 120 GWh würde also in etwa einem bis zwei Prozent des dann entstandenen LIB-Markts entsprechen.

Wie aus der Studie auch hervorgeht, spielen Deutschland und die EU bei der Entwicklung der Feststoffbatterien eine eher nachgeordnete Rolle. Umfrageergebnisse, Patentdaten und Marktanalysen deuten darauf hin, dass Japan, Südkorea und die USA derzeit die führenden Akteure sind und am meisten in die Forschung und Entwicklung investieren, heißt es von den Fraunhofer-Forschern. Der EU und Deutschland weisen die Wissenschaftler zwar eine „gewisse“ Wettbewerbsfähigkeit in der SSB-Forschung zu, bei der Patentierung, der Produktentwicklung, den Produktionstechnologien, der Pilotproduktion sowie den Start-up- und Industrieaktivitäten hinke Europa aber deutlich hinterher.

320°/mk

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