Feststoffbatterien: Solid Power will mehr Energie in Elektroautos packen​

Elektroautos erfreuen sich zwar zunehmender Beliebtheit, haben aber immer noch eine begrenzte Reichweite. Das Tesla Model 3 kann etwa 560 Kilometer weit fahren, bevor es wieder aufgeladen werden muss. Zudem plagen die marktbeherrschenden Lithium-Ionen-Batterien Bedenken hinsichtlich der Sicherheit. Beide Probleme will das Start-up Solid Power lösen. Auf der Suche nach Batterien für Elektroautos, die uns sicher über weitere Strecken bringen, entwickelt das Unternehmen Festkörperbatterien, die mehr Energie auf kleinerem Raum speichern können.

Um die Technologie zu erproben, hat Solid Power in einem ersten Schritt eine großangelegte Pilotproduktionslinie in Betrieb genommen. Dort sollen die neuartigen Batteriezellen hergestellt werden. Bei ihnen ist die Elektrolytflüssigkeit von Lithium-Ionen-Batterien, die die Ladung transportiert, durch Keramikschichten ersetzt. Die Zellen sind etwa so groß wie ein kleiner Laptop und entsprechen den Zellen, die später in Elektroautos zum Einsatz kommen werden.

Ziel: Material für den Festelektrolyten anbieten

Diese Festkörperbatterie-Technologie ist noch Jahre davon entfernt, kommerziell eingesetzt zu werden. Solid Power plant, bis 2028 genügend Material für 800.000 Autos pro Jahr zu produzieren. Erweist sich die Technologie aber als praktikabel, könnten die Batterien die Leistung von Elektrofahrzeugen erheblich steigern. Solid Power will dabei nicht vollständige Batterien herstellen und verkaufen, sondern das Material für den Festelektrolyten an andere Batteriehersteller liefern, sagt Geschäftsführer Doug Campbell.

Festkörperbatterien setzen sich zwar erst langsam durch, eröffnen aber neue Möglichkeiten für die Batteriechemie. Insbesondere Lithiummetall- und Silizium-basierte Chemikalien sind instabil oder unsicher, wenn sie mit einem flüssigen Elektrolyten in der Zelle kombiniert werden. Sie könnten aber theoretisch verwendet werden, wenn stattdessen ein Feststoff eingesetzt würde.

Das Ergebnis wäre eine Batterie, die mehr Energie auf kleinerem Raum bündeln könnte. Das bedeutet, dass Autos weiter fahren könnten, bevor ihnen die Ladung ausgeht. Laut Campbell könnten die Solid Power-Batterien auch die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien um etwa die Hälfte verbessern. Ein E-Auto, das mit einer Ladung bisher 560 Kilometer weit fahren konnte, könnte seine Reichweite auf über 800 Kilometer steigern.

Mit Festkörperbatterien Platz sparen

Der Verzicht auf die Elektrolytflüssigkeit würde es auch einfacher machen, sicherere Zellen zu bauen, fügt Campbell hinzu. Während Lithium-Ionen-Batterien mit Schutzvorrichtungen ausgestattet sind, die sicherstellen, dass sie weder Feuer fangen noch explodieren, würde das Weglassen der Flüssigkeit diese kostspieligen Zusätze überflüssig machen. Aus vielen Zellen zusammengesetzte Batteriepacks könnten dichter sein, da ihre internen Temperaturkontrollen und Sicherheitssysteme weniger Platz benötigen würden.

Das Konzept, flüssige Elektrolyte aus den Batteriezellen zu entfernen, ist nicht neu, sagt Lei Cheng, Chemiker und Batterieforscher in der Materialabteilung des Argonne National Laboratory. Seit Jahren konzentriert sich die Forschung zu Feststoffbatterien jedoch auf die Verwendung organischer Polymere wie Polyethylenoxid. Diese Materialien sind zwar billig und leicht herzustellen, aber ihre Leistung war bisher nicht ausreichend. Aus diesem Grund unternehmen verschiedene Forschungsgruppen und Start-ups wie QuantumScape Schritte zur Kommerzialisierung von Feststoffbatterien, die Materialien wie Sulfide und Oxide verwenden, die eine höhere Leitfähigkeit aufweisen.

Die Frage ist jedoch, ob die Unternehmen, die feste Elektrolyte herstellen, in der Lage sein werden, diese in großem Maßstab zu produzieren. Anorganische Materialien, wie die von Solid Power verwendeten Sulfide, können spröde sein und sich während der Herstellung nur schwer bewegen lassen, wenn sie in dünnen Schichten auf großen Produktionslinien hergestellt werden, sagt Cheng.

Ein weiteres Problem bei Feststoffbatterien ist die Frage, wie gut sie der Degradation im Laufe der Zeit widerstehen können, insbesondere im Hinblick auf Dendriten, wurzelartige Strukturen, die Lithium häufig in Batterien bildet und die deren Leistung beeinträchtigen können.

Solid Power steht vor großen Herausforderungen bei der Skalierung, sagt Jeff Chamberlain, Geschäftsführer von Volta Energy Technologies, einem der Hauptinvestoren des Unternehmens. Volta war jedoch nicht nur deshalb an dem Unternehmen interessiert, weil die Technologie vielversprechend ist, sondern auch, weil das Team von Anfang an über die Skalierung nachgedacht hat. Chamberlain zufolge "ist die beste Technologie diejenige, die hergestellt werden kann". Die Frage ist, ob Festkörperbatterien ihren Weg in diese Kategorie finden werden.

(vsz)