Batterieentwicklung All Solid State
In All Solid State Zellen ersetzt ein fester den flüssigen Elektrolyten. Sie versprechen eine höhere Energiedichte, weniger CO2-Emissionen in der Produktion und geringere Kosten. Nüchtern betrachtet zeigen sich Zweifel am schnellen Serienstart, vielleicht gelingt der Durchbruch gar nicht
- Christoph M. Schwarzer
All Solid State ist der zurzeit wohl meistdiskutierte neue Ansatz der Batterieforschung. Statt eines flüssigen Elektrolyten soll ein fester verwendet werden. Solche Zellen sollen eine höhere Energiedichte haben, weniger CO2-Emissionen in der Produktion verursachen und kostengünstiger sein. Bei nüchterner Betrachtung gibt es aber Zweifel am schnellen Start einer Serienfertigung, vielleicht gelingt der Durchbruch auch gar nicht.
Bei Toyota jedenfalls ist man zuversichtlich: „Wir sind in ein neues Zeitalter eingetreten“, stellt Shigeki Terashi fest. Und weiter sagt der Manager des japanischen Autokonzerns im Juni: „Der Fortschritt hat unsere Erwartungen übertroffen.“ Zu den olympischen Spielen 2020 in Tokio wird Toyota den Prototyp einer Batteriezelle mit Festelektrolyt vorstellen. Und am Ende dieses Sportlerjahres plant man zusammen mit dem Altpartner Panasonic die Gründung eines Joint Ventures zur Entwicklung dieses Zelltyps. Anders formuliert: Auch Toyota ist weit entfernt davon, das Labor zu verlassen. Volkswagen kann sich den Serieneinsatz ab 2025 vorstellen. Und BMW glaubt erst nach 2030 daran.
Heutige Traktionsbatterien haben Zellen, deren Aufbau sich ähnelt: Der flüssige Elektrolyt ist das inaktive Medium, in dem Lithium-Ionen zwischen der Kathode und der graphitbasierten Anode wandern. Der Elektrolyt muss stabil sein, billig und sicher, er muss schnell leiten können und soll nicht korrosiv gegen Aluminium und andere Verpackungsmaterialien sein. Die aktuell verwendeten Elektrolyte sind zwar bei erhöhter Raumtemperatur brennbar, sie sind flüchtig und giftig. Trotzdem lässt sich angesichts der Problemlosigkeit der vielen Millionen im Einsatz befindlichen Zellen nicht von einer Gefahr sprechen.
Fester Elektrolyt ermöglicht Lithium-Metall-Anode
Der entscheidende Vorteil eines festen Elektrolyten ist nicht allein der Ersatz des flüssigen. Vielmehr ermöglicht ein Festelektrolyt eine Anode aus Lithium-Metall. Darum geht es im Kern, und daraus resultieren auch die Potenziale bei der Energiedichte: Die gravimetrische (in Wh/kg) könnte um 40 Prozent und die volumetrische (in Wh/l) um 70 Prozent steigen. Was das in absoluten Zahlen bedeutet, lässt sich nur ungefähr sagen: Auf Zellebene sind zurzeit 260 Wh/kg bei 600 Wh/l guter Durchschnitt. Vorstellbar sind also über 350 Wh/kg und über 1000 Wh/l. Zwar ist die Energiedichte nicht die größte Herausforderung bei den Batteriezellen, sondern die Kosten. Wenn ein Elektroauto bei gleicher Kapazität leichter wird oder im vorhandenen Bauraum mehr Kapazität untergebracht werden kann, ist das ein ökonomischer Gewinn und eine ökologische Verbesserung.
Der Einsatz einer Lithium-Metall-Folie würde zugleich die CO2-Emissionen in der Produktion rapide absinken lassen, weil hier kein Trocknungsvorgang notwendig ist. Wie gut dieses hochreaktive Metall allerdings in der Handhabung ist, bleibt eine der ungelösten Herausforderungen.