Lithium-Ionen-Batterien stellen seit Jahren eine zuverlässige Stromversorgung für eine Vielzahl von Geräten und Elektrofahrzeugen dar. Doch nun kündigt sich mit den Festkörperbatterien eine neue Generation von Stromspeichern an, die das Potenzial hat, die Branche zu revolutionieren. Es stellt sich jedoch die Frage, inwiefern diese Behauptung zutrifft.
Trotz aller Begeisterung ist es derzeit nicht möglich, ein Auto mit einer Festkörperbatterie zu erwerben. Auch wenn sie ein erhebliches Potenzial aufweisen, sind noch einige Hürden zu nehmen, bis Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge kommerziell nutzbar sind. Um dies in den kommenden Jahren zu ändern, sind massive Investitionen in Forschung und Entwicklung vorgesehen.
In diesem Artikel untersuchen wir, warum Festkörperbatterien in Zukunft eine bessere Option als Lithium-Ionen-Batterien sein könnten, aber zuerst...
Inhaltsverzeichnis
Im Folgenden werden wir den Aufbau von Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien beleuchten und die wichtigsten Unterschiede zwischen beiden aufzeigen.
Lithium-Ionen-Batterien setzen sich aus den folgenden Hauptkomponenten zusammen:
Beim Laden und Entladen wandern Lithium-Ionen durch den flüssigen Elektrolyten zwischen Anode und Kathode. Lithium-Ionen-Batterien überzeugen zwar durch ihre Effizienz, allerdings bestehen Sicherheitsbedenken hinsichtlich des brennbaren flüssigen Elektrolyts.
Festkörperbatterien haben einen ähnlichen Aufbau, aber einen entscheidenden Unterschied:
Der Festelektrolyt ist ein entscheidender Faktor für die zahlreichen Vorteile, die Festkörperbatterien bieten. Dazu gehören eine optimierte Sicherheit und Stabilität.
Trotz der nach wie vor bestehenden Bedenken hinsichtlich der Lithiumknappheit sind Lithium-Ionen-Batterien heutzutage aufgrund einer etablierten Fertigungsinfrastruktur weit verbreitet. Bei Lithium-Ionen-Batterien handelt es sich um eine ausgereifte Technologie. Durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung werden Leistung, Lebensdauer und Sicherheit dieser Batterien jedoch kontinuierlich verbessert.
Festkörperbatterien werden nach wie vor hauptsächlich in Laboren und für kleine Prototypen verwendet. Es gibt jedoch noch einige wesentliche Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, bevor sie sich am Markt durchsetzen können.
Derzeit liegen die Kosten für die in Festkörperbatterien verwendeten Materialien, insbesondere für den Festelektrolyten, über denen der in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien. Der Fertigungsprozess ist komplex und erfordert spezielle Fertigungseinrichtungen.
Die vorhandenen Fertigungsanlagen für Batterien sind für die Produktion von Batterien mit flüssigem Elektrolyt konzipiert und eignen sich daher nicht für die Herstellung von Festkörperbatterien. Es müssen neue, spezialisierte Geräte entwickelt und in großem Maßstab produziert werden, was erhebliche Investitionen erfordert.
Es gilt außerdem, einige technische Herausforderungen zu bewältigen, an deren Lösung die Hersteller bereits mit Hochdruck arbeiten:
Ungeachtet dieser Herausforderungen tätigen große Automobil- und Technologieunternehmen erhebliche Investitionen, um diese Hürden zu überwinden. Experten sind sich einig, dass Festkörperbatterien in den kommenden 5 bis 10 Jahren marktreif sein und die Energiespeicherung für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen revolutionieren werden.
| Funktion | Lithium-Ionen-Batterien | Festkörperbatterien |
|---|---|---|
| Energiedichte | 160–250 Wh/kg | 250–800 Wh/kg |
| Sicherheit | Überhitzungs- und Entzündungsgefahr durch flüssigen Elektrolyten | Deutlich reduzierte Brandgefahr, nicht brennbarer Festelektrolyt |
| Lebensdauer | Verschlechtert sich im Laufe der Zeit aufgrund chemischer Reaktionen, die durch hohe Temperaturen, Tiefentladungszyklen, hohe Wiederaufladungsraten usw. hervorgerufen werden | Potenzial für längere Lebensdauer, aber derzeit Probleme mit Rissbildung |
| Ladegeschwindigkeit | Mäßig bis schnell, temperaturempfindlich | Potenzial für ultraschnelles Laden |
| Aktuelle Verfügbarkeit | Hohe Verfügbarkeit, etablierte Fertigungsinfrastruktur | Überwiegend in Laboren und bei der Produktion in kleinem Maßstab und bei Prototypen |
| Produktionsstatus | Ausgereifte Technologie mit ständigen Verbesserungen | Hohe Produktionskosten, Rissbildung beim Laden/Entladen. Muss vor der Massenproduktion gelöst werden |
| Vermarktung | Wird derzeit in Elektrofahrzeugen und anderen Anwendungen eingesetzt | Wird für Elektrofahrzeuge für 2026–2027 erwartet |
| Entscheidende Vorteile | Etablierte Technologie, derzeit robuster und besser verfügbar | Höhere Energiedichte, verbesserte Sicherheit, schnelleres Aufladen möglich |
| Die größten Herausforderungen | Sicherheitsprobleme, begrenzte Energiedichte | Hohe Fertigungskosten, technische Probleme bei der Maßstabsvergrößerung |
Die in Elektrofahrzeugen verwendeten Lithium-Ionen-Batterien haben typischerweise eine Energiedichtevon 160 Wh/kg (LFP-Chemie) bis 250 Wh/kg (NMC-Chemie). Um diese Werte zu verbessern, wird weiter geforscht. An der Yokohama National University wird beispielsweise die Verwendung von Mangan in der Anode erforscht, um die Energiedichte der LFP-Batterie zu verbessern.
Festkörperbatterien haben ein wesentlich höheres Energiedichtepotenzial. Dünnschichttypen können 300–800 Wh/kg erreichen, während Massivtypen bei etwa 250–500 Wh/kg liegen. Eine aktuelle Studie von Mercedes und Factorial behauptet, 450 Wh/kg mit einem neuen Typ von Festkörperbatterie erreicht zu haben, der 33 % kleiner und 40 % leichter ist als vergleichbare Lithium-Ionen-Batterien.
Bei Lithium-Ionen-Batterien besteht die Gefahr einer Überhitzung und Entflammbarkeit des flüssigen Elektrolyten. Die tatsächlichen Risiken werden jedoch oft übertrieben dargestellt.
„Mit jeder durchgeführten Studie festigt sich unsere Zuversicht, die Sicherheits- und Reichweitenprobleme bei Elektrofahrzeugen lösen zu können“, erklärte Chunsheng Wang, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of Maryland, gegenüber NBC News.
Festkörperbatterien reduzieren das Brandrisiko erheblich, da sie über einen nicht brennbaren Festelektrolyten verfügen. Außerdem lassen sich mit ihnen Probleme mit der Gasentlüftung beseitigen. Des Weiteren erlauben sie eine einfachere Temperaturkontrolle.
Lithium-Ionen-Batterien zeigen im Laufe der Zeit aufgrund chemischer Reaktionen eine Verschlechterung, was zu einer kürzeren Lebensdauer führt. Festkörperbatterien bergen ein beträchtliches Potenzial für eine längere Lebensdauer. Allerdings treten bei ihnen derzeit Probleme durch Rissbildung im Festelektrolyten während der Lade- und Entladezyklen auf, was den Widerstand erhöht.
Lithium-Ionen-Batterien lassen sich mit einer mittleren bis hohen Ladegeschwindigkeit aufladen, sind allerdings temperaturempfindlich.
Festkörperbatterien bieten vielversprechende Aussichten für ultraschnelle Ladefähigkeiten. Einige Prototypen haben bereits bewiesen, dass sie innerhalb von wenigen Minuten eine Ladung von 80 % erreichen können. Sie sind auch weniger anfällig für Temperaturschwankungen.
Forschungseinrichtungen und Unternehmen erzielen sowohl bei der Lithium-Ionen- als auch bei der Festkörperbatterietechnologie Fortschritte:
Die aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeit zielt darauf ab, sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Lebensdauer beider Batterietypen zu verbessern. Nach aktuellem Kenntnisstand ist davon auszugehen, dass Festkörperbatterien ab 2026–2027 auf den Markt kommen werden. Für Elektrofahrzeuge werden derzeit vielversprechende, schnell aufladbare Lösungen mit hoher Energiedichte entwickelt. Der weltweit größte Automobilhersteller Toyota hat bekanntgegeben, dass er für die Jahre 2027–2028 eine Massenproduktionmit einer Akkuladezeit von 10 Minuten und einer Reichweite von mehr als 1.000 Kilometern plant.
Die Antwort auf diese Frage hängt davon ab, ob Sie bei der Bewertung von Batterien den aktuellen Bedarf oder das zukünftige Potenzial im Blick haben.
Lithium-Ionen-Batterien sind robuster und bereits erhältlich. Allerdings bestehen noch Bedenken hinsichtlich ihrer Sicherheit und Lebensdauer. Festkörperbatterien überzeugen durch eine überlegene Energiedichte, Sicherheit und Ladegeschwindigkeit. Allerdings befinden sie sich noch in der frühen Entwicklungsphase und sind derzeit noch mit hohen Herstellungskosten verbunden.
Aufgrund der kontinuierlichen Forschung und der stetigen Verbesserung der Fertigungsprozesse gelten Festkörperbatterien als die bevorzugte Wahl für Elektrofahrzeuge, sofern die noch offenen Herausforderungen gelöst werden können. Für die meisten Anwendungen stellen Lithium-Ionen-Batterien jedoch vorerst die beste Wahl dar.
Laser finden zunehmend Verwendung beim Schweißen, Reinigen und Beschriften von Batterien. Setzen Sie sich mit uns in Verbindung, um zu erfahren, wie Laser Ihnen helfen können, Batterien noch effizienter herzustellen.
Technical expert and consultant in batteries and electrical propulsion systems, Stéphane holds a Physics degree with specializations in Photonics, Optics, Electronics, Robotics, and Acoustics. Invested in the EV transformation, he has designed industrial battery packs for electrical bikes. In his free time, he runs a YouTube channel on everything electrical.
Die Batterie ist das teuerste Teil in einem Elektroauto, daher ist ein zuverlässiger Herstellungsprozess wichtig, um kostspielige Defekte zu vermeiden. Zudem ist die Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge hoch, was die Hersteller unter Druck setzt, die Produktion zu maximieren, ohne Kompromisse bei der Qualität einzugehen. Daher ist Roboterautomatisierung fast überall bei der Herstellung von Batterien zu finden.
Batteriewärmemanagement ist in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen unerlässlich, um die Temperatur der Batterien zu regulieren. Dabei werden Kühl- und Heizsysteme verwendet, um die Temperatur in einem optimalen Bereich zu halten, Temperaturschwankungen zwischen Zellen zu minimieren, Supercharging zu ermöglichen, Fehlfunktionen und thermisches Durchgehen zu verhindern und die Lebensdauer der Batterie zu maximieren.
Der Rotor überträgt die Energie aus den Batterien auf die Räder eines Elektrofahrzeugs. Die Herstellung von Rotoren mit den neuesten Technologien verbessert die Effizienz des Motors in vielerlei Hinsicht.
