Festkörperbatterie: Die Zukunft der Elektrofahrzeuge

Derzeit ist die Reichweitenangst das größte Hindernis für den weltweiten vollständigen Ersatz von Benzinfahrzeugen durch Fahrzeuge mit alternativen Antrieben. Obwohl viele Automobilhersteller, wie Tesla mit dem Supercharger V4 und Xpeng mit dem Supercharger S4, Schnellladetechnologien eingeführt haben, sind diese Ladestationen nicht nur teuer, sondern auch nicht flächendeckend verfügbar. Um Reichweitenprobleme wirklich zu lösen, können nur Batterien mit hoher Energiedichte eine Lösung bieten.

Angesichts der jüngsten Entwicklungen konzentrierten sich China, Japan, Südkorea und Europa in den letzten Jahren auf die Entwicklung von Festkörper- Batterien mit höherer Energiedichte. Je nach Wahl des Elektrolyten haben sich diese Regionen für drei unterschiedliche technologische Ansätze entschieden:

• Europa: Der Schwerpunkt liegt auf Polymeren (mit einer Leitfähigkeit von etwa 10-7-10-5S/cm) als Elektrolyt für Festkörperbatterien. Aufgrund der geringen Leitfähigkeit von Polymeren bieten in Europa in Massenproduktion hergestellte Festkörperbatterien jedoch eine geringere Reichweite als Flüssiglithiumbatterien gleicher Kapazität.
• Japan und Südkorea: Ihr Schwerpunkt liegt auf Sulfiden (mit einer Leitfähigkeit von etwa 10-3-10-2S/cm) als Elektrolyt. Dieses Material weist zwar eine ideale Leitfähigkeit auf, doch der komplexe Herstellungsprozess und der Einsatz seltener Metalle behindern seine Kommerzialisierung.
• China: Als Elektrolyt werden überwiegend Oxide (mit einer Leitfähigkeit von etwa 10-6-10-3S/cm) verwendet. Aufgrund der Steifigkeit und hohen Porosität des Materials, die den Ionenfluss behindern können, erfordert die aktuelle Technologie die Zugabe eines Elektrolyten, wodurch eine halbfeste Batterie entsteht. Dies reduziert jedoch die Energiedichte der Batterie. Obwohl diese halbfesten Batterien aus Oxiden von Unternehmen wie NIO und Dongfeng in High-End-Modelle integriert wurden, war ihre Kosteneffizienz nicht ausreichend, um eine Massenproduktion zu rechtfertigen.

Forscher der University of Science and Technology of China haben kürzlich Lithium-Zirkonium-Oxychlorid entwickelt, das diese gängigen technologischen Ansätze abseits der etablierten Technologien beschreitet. In puncto Ionenleitfähigkeit, Verformbarkeit und Kosten übertrifft dieses Material sowohl Oxide als auch Sulfide. Die Einführung von Lithium-Zirkonium-Oxychlorid könnte der Industrie eine innovative, sofort einsatzbereite Lösung bieten.

Europäische Pioniere: Bolloré Group steigt in die Festkörperbatterietechnologie ein

Europäische Unternehmen für saubere Energie setzen vor allem Polymere als Elektrolyt ein, um die Forschung an Festkörperbatterien voranzutreiben. Ein wichtiger Akteur in diesem Bereich ist die französische Bolloré-Gruppe. Als weltweit erster Betreiber von Elektrofahrzeugen, der Festkörperbatterien in einem Projekt einsetzte, stellte die Bolloré-Gruppe 2011 ihr selbst entwickeltes Elektrofahrzeug Bluecar vor. Dieses Fahrzeug war mit einer 30-kWh-Metall-Lithium-Polymer-Festkörperbatterie der Tochtergesellschaft Batscap ausgestattet und erreichte eine Reichweite von 120 km.

Es ist jedoch hervorzuheben, dass die Metall-Lithium-Polymer-Festkörperbatterie der Bolloré-Gruppe mit einer Kapazität von 30 kWh nur eine Reichweite von 120 km erreichte. Im Gegensatz dazu erreicht das mit einer 60-kWh-Flüssigbatterie ausgestattete Tesla Model 3 eine Reichweite von über 400 km. Ein Tesla-Modell mit einer 30-kWh-Flüssigbatterie kann rechnerisch eine Reichweite von über 200 km erreichen und übertrifft damit den Bolloré Bluecar deutlich.

Der Hauptgrund für die deutlich geringere Reichweite von Bluecar im Vergleich zu Tesla, selbst bei gleicher Kapazität, ist die geringe Leitfähigkeit von Festkörperbatterien mit Polymeren als Elektrolyt. Diese Einschränkung unterstreicht auch, warum trotz der Massenproduktion von Festkörperbatterien in Europa eine breite Akzeptanz bisher nicht erreicht wurde. Angesichts dieses Engpasses suchen andere große europäische Unternehmen für erneuerbare Energien nach alternativen Strategien: Sie kooperieren mit führenden globalen Festkörperbatterieherstellern, um im zukünftigen Automobilbatteriesektor wettbewerbsfähig zu bleiben.

Volkswagen investierte beispielsweise massiv in das in den USA börsennotierte Feststoffbatterieunternehmen QuantumScape. Ende 2014 hielt Volkswagen bereits 51 TP3B an QS-Aktien. In den Jahren 2018 und 2020 tätigte der Volkswagen-Konzern zwei separate Investitionen in QS und investierte jeweils 1 TP4B300 Millionen, wodurch er zum größten Anteilseigner des Unternehmens wurde.

In diesem Zusammenhang gründeten beide Unternehmen ein Joint Venture mit dem Ziel, bis 2025 eine Produktionslinie für Festkörperbatterien aufzubauen. Dank erheblicher finanzieller Unterstützung hat sich die Technologie von QuantumScape kontinuierlich weiterentwickelt. So konnten beispielsweise frühere QS-Einschichtbatterien bei Raumtemperatur und -druck nach 1.000 Ladezyklen mit einer Laderate von 1C noch 901 TP3T ihrer ursprünglichen Energiespeicherkapazität behalten. Unter denselben Bedingungen können ihre Mehrschichtbatterien nun auch nach 800 Zyklen noch 901 TP3T ihrer ursprünglichen Energiespeicherkapazität behalten.

QS hat jedoch bisher keine Batterien in Massenproduktion auf den Markt gebracht, während die Festkörperbatterien der Konkurrenz allmählich in die Massenproduktion gehen und den Druck auf QS erhöhen. Obwohl Europa als erstes Land Festkörperbatterien kommerziell eingeführt hat, bremsen die geringe Leitfähigkeit von Polymeren und die Unsicherheiten hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der beteiligten Unternehmen den Fortschritt im Bereich der Festkörperbatterien.

Japanische Giganten führend bei Patenten für sulfidbasierte Festkörperbatterien

Sulfide galten einst als vielversprechendste Elektrolyte für Festkörperbatterien und bieten zahlreiche Vorteile wie hohe Leitfähigkeit und Formbarkeit. Der technologische Ansatz, Sulfide als Elektrolyte zu verwenden, ist jedoch mit einem komplexeren Produktionsprozess verbunden. So können Sulfide während des Herstellungsprozesses mit Wasser und Luftsauerstoff reagieren und hochgiftiges Schwefelwasserstoffgas bilden. Um dieses Problem zu lösen, muss der Produktionsprozess verfeinert werden, was wiederum die Kosten erhöht.

Um im Energiewettlauf die Nase vorn zu haben, bevorzugen japanische und koreanische Unternehmen für saubere Energien Sulfide als Elektrolyt in ihren Feststoffbatterien. Die Komplexität der technologischen Verfahren veranlasste diese Unternehmen, ihre Forschung im Bereich Feststoffbatterien zu intensivieren und ein umfangreiches Portfolio an technischen Patenten anzuhäufen.

Laut Daten, die Nikkei Chinese Web in Zusammenarbeit mit dem Patentforschungsunternehmen Patent Result veröffentlicht hat, waren zwischen 2000 und Ende März 2022 Toyota mit 1.331 Patenten die führenden Batteriehersteller hinsichtlich der öffentlich bekannt gegebenen Patente für Feststoffbatterien, gefolgt von Panasonic Holdings mit 445 Patenten und Showa Shell Sekiyu auf Platz 3 mit 272 Patenten. Alle drei japanischen Unternehmen konzentrieren ihre Forschung und Entwicklung auf Feststoffbatterien auf Sulfidbasis, wobei Toyota am weitesten fortgeschritten ist. Bereits am 22. Juni 2017 hatte Toyota ein US-Patent für eine Feststoffbatterie mit Sulfiden als Elektrolyt angemeldet.

Toyota gab kürzlich den Medien bekannt, dass das Unternehmen eine Feststoffbatterie entwickelt habe, die eine Reichweite von 1.200 Kilometern habe und in nur 10 Minuten aufgeladen werden könne. Bis 2025 sollen damit ausgestattete Fahrzeuge auf den Markt kommen. Trotz Toyotas Ambitionen, mit Feststoffbatterien ausgestattete Fahrzeuge mit Sulfiden als Elektrolyt in Serie zu produzieren, könnten die technische Komplexität und die hohen Kosten, die durch die Verwendung zahlreicher seltener Metalle entstehen, einer breiten Einführung im Wege stehen.

Derzeit liegt der weltweite Durchschnittspreis für den Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien unter 1 TP4T10/kg. Im Gegensatz dazu liegt der Preis für das Primärmaterial des Sulfid-Festelektrolyten Li2S zwischen 1.500 und 1.000 TP4T/kg. Das bedeutet, dass der Sulfidelektrolyt über 150-mal so teuer ist wie der in Lithium-Ionen-Batterien verwendete Elektrolyt.

Chinesische Feststoffbatterieentwicklung: Oxidelektrolyte weisen den Weg

Inländische Unternehmen nutzen, analog zu europäischen Trends, vor allem Oxide als Elektrolyt, um die Forschung und Entwicklung von Festkörperbatterien voranzutreiben. Unvollständigen Daten zufolge begannen mehrere chinesische Automobilhersteller nach 2022 damit, Halbfestkörperbatterien in ihre Modelle einzubauen. Insbesondere Modelle wie der ES6 von NIO, der E70 von Dongfeng und der Zhui Feng von Lantu verfügen überwiegend über Batterien mit oxidbasierten Elektrolyten.

Dennoch weisen Feststoffbatterien mit Oxiden als Elektrolyt eine intrinsische Härte auf. Da die Oxidpartikel in Punktkontaktform vorliegen, sind die resultierenden Feststoffbatterien nicht nur schlecht formbar, sondern weisen auch eine hohe Porosität auf. Diese starre Struktur kann Elektrolytbrüche verursachen und so die Ionenübertragung stören. Die hohe Porosität kann den Ionentransfer innerhalb des Batteriesystems behindern. Um sicherzustellen, dass die aktiven Materialpartikel auch bei Rissen oder Brüchen optimalen Kontakt und Ionentransport aufrechterhalten, eignen sich Feststoffbatterien mit Oxidelektrolyten daher ideal für ein Fest-Flüssig-Hybridformat. Dieses Hybriddesign integriert sowohl die feste Oxidelektrolytschicht als auch einen flüssigen Elektrolyten, der die Poren füllt, und umgeht so die oben genannten Probleme effektiv.

Allerdings weisen Feststoffbatterien mit Flüssigkeiten aufgrund ihres geringeren Feststoffelektrolytgehalts nicht die gleiche höhere Energiedichte auf wie Feststoffbatterien. Beispielsweise hat die Halbfeststoffbatterie im ES6 eine Energiedichte von 360 Wh/kg. Obwohl chinesische Halbfeststoffbatterien kommerziell erhältlich sind, könnten sie aufgrund ihrer geringen höheren Energiedichte, ihrer geringeren Leitfähigkeit als flüssiges Lithium und der höheren Kosten für Oxidelektrolyte zu Übergangsprodukten in der Batterieentwicklung werden.

Um unseren Fokus zu verschieben: Der jüngste Durchbruch an der University of Science and Technology of China präsentiert einen neuartigen Festkörperelektrolyten – Lithium-Zirkonium-Oxychlorid. Dieser innovative Elektrolyt weist eine vergleichbare Leistung wie die modernsten Sulfid- und Oxid-Festkörperelektrolyte auf, kostet aber nur 41 TP3T weniger. Dies ist zweifellos eine bahnbrechende Entwicklung im chinesischen Festkörperbatteriesektor.

Die Einführung von Lithium-Zirkonium-Oxychlorid markiert gleichzeitige Durchbrüche in der Leistungsfähigkeit und den Kosten von Festkörperelektrolyten. Diese Technologie befindet sich jedoch derzeit noch in der Laborphase. Ob sie in großem Maßstab produziert werden kann, ist weiterhin ungewiss. Ungeachtet dessen hat die Entdeckung von Lithium-Zirkonium-Oxychlorid weitreichende Auswirkungen auf die Kommerzialisierung von Festkörper-Lithiumbatterien.

Derzeit weisen die drei gängigen Elektrolyte für Festkörperbatterien – Polymere, Oxide und Sulfide – alle inhärente Mängel auf, für die keine unmittelbaren Lösungen in Sicht sind. Dies hat dazu geführt, dass die derzeitige Kleinserienproduktion von Festkörperbatterien für die Fahrzeugintegration nicht so kosteneffizient ist wie die ihrer flüssigen Pendants. Das kürzlich von chinesischen Forschern entwickelte Lithium-Zirkonium-Oxychlorid könnte jedoch einen Hoffnungsschimmer darstellen und die Festkörperbatterieindustrie revolutionieren und die mit Batterien für neue Energien verbundene Reichweitenangst lösen.

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