Der deutsche Autobauer BMW setzt beim Aufbau der Elektromobilität auch auf Feststoffbatterien. Geplant sei, ein erstes Fahrzeug, in dem die Technik präsentiert wird, deutlich vor dem Jahr 2025 vorzustellen, sagte Entwicklungsvorstand Frank Weber. Bis Ende des Jahrzehnts solle eine derartige Batterie für den Serieneinsatz umgesetzt werden. Die Energiedichte von Batteriezellen solle bis dahin um mindestens einen mittleren zweistelligen Prozentbereich steigen.
Wesentlich früher - nämlich 2022 - soll es beim chinesischen Start-up Nio soweit sein: In der rund fünf Meter langen Limousine ET7, die voll auf Teslas Model S und Porsche Taycan, zielt, verbirgt sich nämlich bereits eine Feststoffbatterie. Auch die Japaner von Toyota und Subaru arbeiten gemeinsam an dieser Technologie und wollen das erste damit bestückte Modell schon vor 2025 auf den Markt bringen.
So funktioniert eine Feststoffbatterie
Was den grundsätzlichen Aufbau anbelangt, ist ein Feststoffakku auch ein Modell, das mit Lithium-Ionen arbeitet. Diese Ionen wandern von Anode zu Kathode und geben dabei Energie ab. Der große Unterschied liegt im Elektrolyt. Jenes Material also, das die zwei Elektroden voneinander trennt und das die Ionen auf dem Weg zur Kathode passieren müssen.
Während dieses Elektrolyt in derzeitigen Batterien flüssig ist, besteht es hier – wie der Name schon verrät – aus einem festen Stoff, was neben dem schnelleren Ionenaustausch auch eine höhere Zyklenfestigkeit ergibt. Außerdem verliert der Akku im Alter keine Leistung und sogar der Abstand zwischen den Elektroden kann verkleinert werden, man spart also auch noch Bauraum.
Von einer Energiedichte von bis zu 460 Wattstunden pro Kilogramm ist die Rede, was einer Verdreifachung im Vergleich zu aktuellen Batterien entsprechen würde. Vor allem aber ist der neue Stromspeicher deutlich kälteresistenter, da kein flüssiges Material mehr zäh werden kann, was den Ionenaustausch erschwert und die Reichweite des E-Autos bei Minus-Temperaturen sinken lässt.
Vor- und Nachteile der Technologie
Ganz ohne Nachteile ist diese Bauart natürlich nicht. Allen voran der hohe Widerstand an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Dieser liegt bei 200 bis 2000 Ohm und macht sich vor allem dann bemerkbar, wenn in kurzer Zeit hohe Ladungen verschoben werden sollen. Sprich: beim Schnellladen oder hohem Stromverbrauch.
Dennoch ist Forschern an der TU Graz, die auch an Toyotas Akku-Typ mitentwickelt haben, mit LiTi2(PS4)3, einem Lithium-Titanthiophosphat (LTPS), ein großer Durchbruch gelungen. „Die Lithium-Ionen suchen mehr oder weniger ‚verzweifelt‘ einen geeigneten Platz und bewegen sich dabei sehr rasch durch die kristallografische Struktur von LTPS. Genau diese hohe Ionenbeweglichkeit wollen wir in Elektrolytkörpern für Feststoffbatterien haben“, sagt Martin Wilkening vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz und Leiter des ebendort angesiedelten Christian Doppler Labors für Lithium-Batterien.