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Neue Batterietechnologien: Gehört der Feststoffbatterie die Zukunft?

Schnellere Ladezeiten, höhere Energiedichte, mehr Leistung: Feststoffbatterien und Sald-Batterien gelten als Schlüsseltechnologie für den Durchbruch der Elektromobilität. Erfahren Sie hier mehr zur neuen Generation der Batterietechnologie und ihren Vorteilen.

^{Zuletzt aktualisiert am 24.01.2024

Lesedauer: 7 Minuten}

Schneller, sicherer, weiter.

Sie gelten als die nächste Generation von Akkus: Feststoffbatterien sollen schnelle Ladevorgänge ermöglichen und die Reichweiten von E-Autos verdoppeln. Sie gelten schon heute als noch sicherer, langlebiger und zuverlässiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Was sind Feststoffbatterien?

Das große Versprechen der Elektromobilität: Mit der Feststoffbatterie befindet sich eine innovative Batterietechnologie in der Entwicklungsphase. Sie soll in naher Zukunft die Lithium-Ionen-Batterie in der Mobilität ablösen. Feststoffbatterien sind mit anorganischen, festen (keramischen) Elektrolyten ausgestattet. Sie ersetzen die in Lithium-Ionen-Batterien vorhandenen flüssigen und organischen Elektrolyte.

Feststoffbatterien Nahaufnahme Wallbox

^{Bis Feststoffbatterien im großen Stil auf den Markt kommen, wird es noch einige Jahre dauern.}

Dieser Wechsel wirkt sich äußerst positiv auf die Stabilität und die Lebensdauer der neuen Akkus aus. In der Feststoffbatterie sind die festen Elektrolyte in dünnen Schichten übereinander angeordnet. Die Ionenleiter sind um einiges schwerer entflammbar als in Lithium-Ionen-Akkus, was ihnen einen deutlichen Pluspunkt beim Thema Sicherheit gibt. Andere Bezeichnungen für die Feststoffbatterie sind Festkörperakkumulator, Festkörperbatterie oder SSLB (engl.: solid-state lithium-ion battery). Eine Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung befand allerdings im Mai 2022, dass es noch ein paar Jahre dauern dürfte, bis sich die neue Technologie durchsetzt. Zwar arbeiten viele Unternehmen an Feststoffbatterien, bisher haben es aber nur Polymer-Lösungen in größerem Umfang auf den Markt geschafft. Mercedes-Benz setzt sie beispielsweise im Linienbus eCitaro ein. Für einen Pkw sind sie ungeeignet, da sie vor dem Betrieb vorgeheizt werden müssen.

Höhere Lebensdauer

Feststoffbatterien besitzen eine wesentlich längere Lebensdauer als ihre Vorgänger-Technologie, die Lithium-Ionen-Batterie. Letztere erreicht bis zu maximal 3.000 Ladezyklen, Feststoffbatterien hingegen schaffen bis zu 100.000 Ladezyklen.

Sicher

Die Leitfähigkeit der festen Ionenleiter steigt mit der Temperatur, im Fachjargon heißt dies: Heißleiter. Diese Eigenschaft garantiert, dass sich eine Festkörperbatterie nicht selbst überhitzt. So wird ein Thermal Runaway vermieden, eine Überhitzung des Systems. Das kann Batterien komplett zerstören.

Langlebigkeit

Die Feststoffbatterie punktet auch in Sachen Langlebigkeit, da das keramische Elektrolyt sich nicht zersetzt. Bei einer Zersetzung wölben sich die Speicherzellen aufgrund von Gasbildung. Die einzelnen Schichten trennen sich, die Leistungsfähigkeit nimmt ab, im schlimmsten Fall droht ein Defekt – das trifft bei der Feststoffbatterie nicht zu.

Nachhaltig

Es wird erwartet, dass die Gesamtumweltbilanz von Feststoffbatterien gegenüber Lithium-Ionen-Akkus um bis zu 50 Prozent besser sein soll – unter anderem weil kein Kobalt verwendet wird. Außerdem sind die Feststoff-Dünnschicht-Batterien um einiges kleiner und kompakter als herkömmliche Lithium-Ionen-Pendant. Dass sie dabei auch weniger wiegen unterstreicht ihren Mehrwert.

Wann ist die Feststoffbatterie marktreif?

Die Forschung an der Feststoffbatterie läuft auf Hochtouren, viele Unternehmen engagieren sich und auch Automobilhersteller begleiten diese Entwicklung aus nächster Nähe.

Volkswagen hat nun große Fortschritte bei der Entwicklung von Feststoffzellenbatterien erzielt: Eine gemeinsam mit dem amerikanischen Partner QuantumScape entwickelte Feststoffzellenbatterie hat im VW-Labor in Salzgitter einen ersten Langzeittest (A-Muster-Test) erfolgreich absolviert. Sie durchlief mehr als 1.000 Ladezyklen, was einer Gesamtreichweite von rund 500.000 Kilometern entspricht, und verlor dabei nur 5 % ihrer Kapazität.

Ende 2025 will QuantumScape ein B-Modell mit deutlich mehr Zellen präsentieren. Dann sollen im Testlabor auch Ladedauer und Leistungsgewicht genauer untersucht werden. Der Test des A-Musters hat bereits gezeigt, dass die Zelle in Sachen Schnellladefähigkeit, Sicherheit und Selbstentladung ebenfalls alle Anforderungen erfüllt. Wenn alle weiteren Tests positiv verlaufen, könnte die neuartige Batterie um 2030 in den ersten Modellen des VW-Konzerns verbaut werden.

Die Feststoffbatterien sollen 30 % mehr Reichweite bieten als Lithium-Ionen-Akkus, während sich die Ladezeit halbiert. BMW und Ford haben sich mit dem Spezialisten Solid Power zusammengetan. Das Unternehmen hat 2023 erste Zellen an BMW geliefert, zunächst allerdings nur für Qualifikationstests. Die Serienproduktion der Zellen ist für 2026 geplant.

Toyota hat ebenfalls ambitionierte Ziele: Ab 2027/2028 will das japanische Unternehmen serienmäßig Elektroautos mit der neuen Batterie-Technologie anbieten. Die Reichweite soll bei mindestens 1.000 Kilometern liegen und die Akkus sollen in nur 10 Minuten von 10 auf 80 % aufgeladen sein.

Feststoffbatterie VW e-Golf an Ladestation angeschlossen Seitenansicht

^{Der VW e-Golf könnte sich bald durch eine Feststoffbatterie fortbewegen.}

Alternative Batteriekonzepte

Neben der Feststoffbatterie gibt es noch andere vielversprechende Batterietechnologien. Vom Massachusetts Institute of Technology wurde im Herbst 2022 eine Batterie ohne Lithium vorgestellt, die Aluminium, Schwefel und Salz zur Speicherung von elektrischer Energie verwendet. Sie wäre in der Herstellung deutlich günstiger als Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings ist die Lebensdauer noch nicht ausreichend und auch zur Kapazität wurden keine Angaben gemacht.

Auch in der Entwicklung der Natrium-Ionen-Akkus sind Fortschritte zu vermelden: Der schwedische Batteriehersteller Northvolt konnte die Energiedichte auf 160 Wattstunden pro Kilogramm erhöhen. Das entspricht etwa dem Niveau von aktuellen Lithium-Eisenphosphat-Akkus. Weitere Vorteile: Auch Nickel und Kobalt werden in diesem Batterietypus nicht verbaut, er ist zudem robuster in puncto niedrige Außentemperaturen und Schnellladen. Die ersten Zellen sollen in diesem Jahr zum Testen an Autohersteller geliefert werden.

Apropos Lithium-Eisenphoshat: Der weltgrößte Batteriehersteller CATL stellte 2023 einen LFP-Akku vor, der innerhalb von einer Viertelstunde voll beladen werden kann. Selbst bei minus 10 Grad soll der Ladevorgang gerade mal 30 Minuten dauern. Der neue Superakku soll unter anderem in einem Coupé der Marke Avatr verbaut werden, die 2024 in Europa starten will.

Kurze Ladezeiten sind nicht nur unterwegs bequem, sondern sorgen auch für mehr Flexibilität beim Laden zuhause. Dank der neuen Batterietechnologien wäre das Elektroauto schneller wieder einsatzbereit. Wer seinen Akku mit Strom aus der eigenen Photovoltaikanlage lädt, könnte gezielt mittags laden, wenn die Stromausbeute besonders hoch ist.

Vom Lithium-Ionen- zum Sald-Akku

Die herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie ist schon heute ein leistungsstarker Antrieb für ein Elektroauto. Sie bringt über ihre gesamte Lebensdauer gesehen viele Vorteile mit, wie zum Beispiel eine Reichweite von bis zu 100.000 Kilometern oder zehn Jahren Fahrtauglichkeit. Damit sind Elektroautos mit Lithium-Ionen-Batterie schon heute alltagstauglich und eine ernsthafte Alternative zu Verbrennermotoren. Außerdem wird der Lithium-Ionen-Akku in der Forschung stetig verbessert, wodurch sich seine Reichweite sukzessiv erhöht.

Der Batteriehersteller CATL kündigte beispielsweise ein neues Elektrolyt an, das sich besonders schnell aufheizen lässt. Dadurch könnten Lithium-Ionen-Akkus weniger kälteempfindlich werden.

Feststoffbatterie e-tron an Ladestation angeschlossen Seitenansicht

^{Schon heute sind Elektroautos auf Augenhöhe mit Verbrennern.}

Was ist die SALD-Technologie?

Eine dieser Weiterentwicklungen ist die Sald-Batterie, die höhere Akku-Kapazität und größere Ladeleistung verspricht. Sald ist ein Akronym und steht für „Spatial Atom Layer Deposition“, womit ein bestimmtes Herstellungsverfahren gemeint ist, das auf der ALD-Technologie basiert.

Bei der Sald-Technologie ist es Wissenschaftler:innen des niederländischen Forschungsinstituts „The Netherlands Organisation“ und des deutschen Fraunhofer-Instituts gelungen, eine extrem dünne Atombeschichtung um die Zellen zu entwickeln. Sie verbessert den Ionen-Fluss zwischen Anode und Kathode und sorgt dadurch für insgesamt mehr Leistung, genauer gesagt: kürzere Ladezeiten, mehr Langlebigkeit und höhere Reichweite. Zudem benötigt man mit dem Sald-Verfahren weniger Material zur Akku-Herstellung, wodurch Rohstoffe gespart werden – ein großer Schritt in Richtung nachhaltiger Produktion.

Vattenfall Fazit

Mit Feststoffbatterien und Sald-Akkus scheint die Elektromobilität in eine spannende Zukunft zu fahren. Hier sollen Reichweiten möglich sein, bei denen sogar Autos mit herkömmlichen Antrieben nicht mitkommen – von mehr als 1.000 Kilometern ist die Rede. Zudem sind Feststoffbatterien leicht, punkten mit sehr kurzen Ladezeiten, besitzen eine höhere Speicherdichte und sind auch unter Umweltaspekten unbedenklich. Fest steht: Dank ihrer Innovationskraft wird Elektromobilität in wenigen Jahren viele aktuell kritische Themen ausbremsen und immer mehr Anhänger finden.