Lithium-Ionen-Akkus können viel Energie pro Kilogramm Eigengewicht speichern und diese Energie dann zuverlässig über die Zeit abgeben. Die mobilen Energiespeicher haben allerdings auch Nachteile: Oft dauert es Stunden, bis die Akkus wieder geladen sind, und manchmal können Lithium-Ionen-Batterien wegen eines Kurzschlusses zum Beispiel Feuer fangen oder sogar explodieren.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen deshalb an Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku. Eine Alternative könnten Feststoffbatterien sein. Wie der Stand der Forschung ist, hat eine Studie des Fraunhofer-Instituts für System und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe untersucht.
Die Studie zeigt die Potenziale und Marktchancen von Feststoff-Akkus auf, aber auch die Hürden, dies noch zu überwinden gilt, damit dieser Batterietyp mit den klassischen Lithium-Ionen-Batterien mithalten kann. Dr. Thomas Schmaltz vom ISI hat die Arbeiten zur Studie koordiniert und war bei Jochen Steiner im SWR2 Impuls-Interview:
Was sind Feststoffbatterien und wie funktionieren sie?
Feststoffbatterien funktionieren ähnlich wie die klassischen Lithium-Ionen-Batterien. Die untersuchten Feststoffbatterien, welche als Erstes in größerem Volumen auf den Markt kommen werden, basieren auch auf Lithium-Ionen. Dennoch unterscheiden sie sich voneinander.
Derzeitige Lithium-Ionen-Batterien beinhalten einen Flüssigelektrolyten, also eine flüssige Komponente. Bei Feststoffbatterien ist dieser Flüssigelektrolyt ersetzt mit einem Feststoff, einem sogenannten Festelektrolyt.
Was sind die Vorteile des Festelektrolyts?
Zum einen hat man keine brennbare Flüssigkeit, die auslaufen kann, denn diese Festelektrolyten sind in der Regel nicht brennbar. Natürlich gibt es trotzdem noch andere Komponenten in der Batterie, die auch zu Versagen und Bränden führen können, aber zumindest wäre ein Faktor eliminiert.
Zum anderen versprechen Feststoffbatterien potenziell höhere Energiedichten. Sie können also mehr Energie im gleichen Bauraum, zum gleichen Volumen oder unter der gleichen Maße speichern.
Welche weiteren Vorteile haben Feststoffbatterien? Hält der Handy-Akku länger oder könnte man mit dem Elektroauto weitere Strecken zurücklegen bei gleichem Gewicht?
Ja, das ist das Ziel der Entwicklung. Da sich keine Flüssigkeit in den Batterien befindet, setzt man darauf, dass die Langlebigkeit, Stabilität und die Sicherheit dieser Akkus höher ist. Allerdings ist es aktuell schwierig, darüber genaue Aussagen zu treffen, denn die Entwicklung der Feststoffbatterien ist noch in einem relativ frühen Stadium.
Es wird intensiv daran geforscht, aber es gibt noch wenige marktreife Technologien. Eine Langzeitstabilität kann man in diesem Stadium jetzt noch nicht so richtig absehen.
Gibt es bereits marktreife Festnetzbatterien?
Es gibt Feststoffbatterien, die sind schon länger auf dem Markt - zum Beispiel als sehr kleine sogenannte Mikrobatterien in Elektronikbauteilen. Die müssen aber nur ganz kleine Strommengen speichern. Sie sorgen zum Beispiel dafür, dass unser Computer auch funktioniert, wenn er länger abgeschalten ist und dass er dann wieder hochfährt. Aber die sind von der Technologie her etwas anders aufgebaut.
Und es gibt Feststoffbatterien, die schon auf dem Markt sind, welche auf Basis von polymeren Festelektrolyten funktionieren. Die sind schon im Einsatz in Bussen, aber auch noch nicht im ganz großen Maßstab.
Allerdings gibt es dort gewisse Limitationen. Eine Limitation davon ist zum Beispiel, dass sie nur funktionieren, wenn man sie auch heizt. Das bedeutet: Sie brauchen eine Betriebstemperatur von 50 bis 80 Grad Celsius, und das ist für viele Einsatzgebiete nicht optimal.
So ist es beispielsweise für das Auto nicht sinnvoll, wenn es länger parkt und man den Akku immer geheizt halten muss, damit zum richtigen Zeitpunkt losgefahren werden könnte. Deswegen sind Feststoffbatterien aktuell in Bussen im Einsatz, die mehr oder weniger kontinuierlich fahren.
Aber jetzt gibt es noch Feststoffbatterien auf Basis von Sulfid-Elektrolyten und Oxid-Elektrolyten. Und die sind jetzt aktuell noch nicht in größerem Umfang auf dem Markt. Wir rechnen damit, dass das zwischen 2025 und 2030 der Fall sein wird.
Sind Feststoffbatterien nachhaltiger als Lithium-Ionen-Akkus?
Gerade bei den Sulfid- und Oxid-Elektrolyt- basierten Feststoffbatterien ist noch nicht ganz klar, was für Materialien da wirklich drin sein werden, wenn sie auf den Markt kommen. Deswegen kann man die Nachhaltigkeit nicht abschließend beurteilen. Außerdem steht bei den Produktionsprozessen noch ein Fragezeichen dahinter – es ist noch nicht ganz klar, wie sie wirklich hergestellt werden. Davon hängt natürlich auch ab, wie viel Energie in die Produktion von dieser Batterie einfließt. Ich würde als grobe Schätzung sagen, dass sie ungefähr vergleichbar zu den aktuellen Batterien sein sollten.
Welche Rolle werden Feststoffbatterien künftig spielen?
Wir sehen die aktuelle klassische Lithium-Ionen-Batterie mit Flüssigelektrolyt für die nächsten mindestens zehn Jahre als dominierende Technologie. Der Batteriemarkt wird sich aber weiter diversifizieren. Das heißt, es werden verschiedene Technologien kommen. Mit Flüssigelektrolyt wird es verschiedene Batterietypen geben und mit festen Elektrolyten dann auch.
Je nach Anwendung wird das eine oder andere besser geeignet sein. Wenn es eine Anwendung gibt, die eine hohe Energiedichte braucht, ist das eine vielleicht besser als andere. Wenn die Kosten sehr kritisch sind und die Batterie möglichst billig sein muss, wird man gewisse Komponenten verwenden und einen entsprechend anderen Batterietypen.
Den Automobilmarkt sehen wir deutlich als Haupttreiber der Batterieentwicklung und auch der Feststoffbatterie-Entwicklung sowie mittel und langfristig als Hauptanwendungsgebiet.
