Batterieforschung: Feststoffbatterien – die Zukunft der Energiespeicherung?
Feststoffbatterien versprechen kurze Lade- und lange Laufzeiten in Kombination mit geringer Entflammbarkeit. Doch marktreif sind sie noch nicht. Eine Studie untersucht eines der Probleme, dass derzeit häufig zu Kurzschlüssen führt.
27.05.2025 – Feststoffbatterien haben das Potenzial, die Energiespeicherung zu revolutionieren und eine Schlüsselrolle in der Energiewende zu spielen. Mit fortschreitender Forschung und Entwicklung könnten sie in den nächsten Jahren eine wichtige Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien werden. Geforscht wird besonders für den Einsatz in der E-Mobilität. Bis sie serienmäßig verbaut werden, könnten jedoch noch einige Jahre vergehen.
Läuft länger, lädt kürzer, brennt nicht
Feststoffbatterien bieten in der Theorie zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Batterien. Ihre höhere Energiedichte erlaubt längere Lauf- und geringere Ladezeit, zudem sind sie weniger anfällig für Überhitzung. Soweit das Potential.
„Festkörperbatterien kommen fast oder ganz ohne flüssige Komponenten aus. Im Gegensatz zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien, die einen flüssigen, brennbaren Elektrolyten verwenden, versprechen sie deshalb einen noch sichereren Betrieb. Häufig wird auch eine höhere Energiedichte genannt, die allerdings nur erreicht werden kann, wenn neben dem flüssigen Elektrolyten auch die negative Elektrode, die bei konventionellen Lithium-Ionen-Batterien fast immer aus Graphit besteht, gleichzeitig durch Lithium-Metall ersetzt wird“, erklärt Helmut Ehrenberg, Professor und Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen.
Die Herstellung von Feststoffbatterien ist allerdings komplexer als die herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien und erfordert präzise Kontrolle über die Materialien und Prozesse.
Materialabnutzung noch nicht gelöst
In einer Studie hat ein chinesisches Forscherteam nun einen Aspekt eines der Probleme bei Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anoden untersucht. An der Grenzfläche zwischen der Lithium-Metall-Anode und dem festen Elektrolyten bilden sich durch die starke Reibung häufig verzweigte Metallgebilde, sogenannte Dendriten, die zu ungewollten Kurzschlüssen führen können. Dies verkürzt die Lebensdauer der Batterie. Wie die Ladezyklen mit der Ermüdung der Anode und Entstehung von Defekten wie Dendriten zusammenhängen, stand im Fokus der Studie.
„Dendritenbildung ist einer der wichtigsten Versagensmechanismen in Festkörperbatterien mit metallischen negativen Elektroden. Resultierende Kurzschlüsse sind auch eine der größten Sicherheitsrisiken. Insofern adressiert diese Publikation hoch relevante Beiträge zur Ermüdung und dem Versagen von Batterien. Allerdings wird dieser Aspekt gar nicht in seiner ganzen Komplexität behandelt, sondern nur auf die Betrachtung der Lithium-Metall-Anode beschränkt“, ordnet Ehrenberg ein.
Bisher seien Festkörperbatterien immer noch im Entwicklungsstadium, es könne deshalb im Moment noch nicht abschließend bewertet werden, ob die in Festkörperbatterien gesteckten Hoffnungen erfüllt werden oder nicht. Ein Nachteil sei die begrenzte Lebensdauer, da die Volumenänderungen in den elektrochemischen Aktivmaterialien beim Laden und Entladen in einem festen Zellkonzept zu kritischen mechanischen Spannungszuständen führen, die relativ schnell zu Kontaktverlusten und damit zur Abnahme der Speicherkapazität führen, erklärt Ehrenberg.
Forschen am Feststoff
In der Realität muss also noch einiges an Forschung passieren, bevor Feststoffbatterien weitflächig ausgerollt werden können. Viele große Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeiten allerdings daran, diese Technologie zur Marktreife zu bringen.
Besonders Automobilkonzerne treiben die Forschung voran. Toyota hat bereits Prototypen einer Feststoff-E-Autobatterie entwickelt und arbeitet an der Skalierung. BMW und Ford arbeiten mit Solid Power zusammen, einem führenden Unternehmen in der Entwicklung von Feststoffbatterien. Volkswagen hat in QuantumScape investiert, ein Unternehmen, das sich auf Feststoffbatterien spezialisiert hat. Nissan hat in Japan eine Pilotanlage für die Produktion von Feststoffbatterien in Betrieb genommen. Alle Autobauer planen, Feststoffbatterien in naher Zukunft in ihren E-Autos zu verbauen.
Ehrenberg steht der Entwicklung trotzdem skeptisch gegenüber. „Es sind noch immer große Hürden zu überwinden, um konzeptionell gleichzeitig die Energiedichte gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Batterien zu steigern und die Lebensdauer bei gleichzeitig sicherem Betrieb zu verbessern. Auch muss das Schnellladeverhalten noch weiter verbessert werden. Erst wenn diese Randbedingungen erfüllt sind, werden sich die Herausforderungen einer umfassenden Nachhaltigkeitsbetrachtung und einer kostengünstigen Produktion stellen.“ Im Gegensatz zu zahlreichen Presseinformationen potenzieller Hersteller von Festkörperbatterien werde dies noch einige Jahre benötigen, bis eventuell eine Markteinführung in signifikantem Maße erfolgen werde. jb
