Festkörperbatterien kontra Lithium-Ionen-Batterien: Was ist besser?

Veröffentlicht von Stéphane Melançon, Mo., 10/28/2024 - 13:52 Batterien

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

Wie funktionieren Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien?

Im Folgenden werden wir den Aufbau von Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien beleuchten und die wichtigsten Unterschiede zwischen beiden aufzeigen.

Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Batterien setzen sich aus den folgenden Hauptkomponenten zusammen:

Anode (Minuspol): Gewöhnlich aus Graphit
Kathode (Pluspol): Häufig bestehend aus Nickel, Mangan, Kobalt oder Eisenphosphat (LFP)
Elektrolyt: Eine flüssige Lösung, typischerweise ein in einem organischen Lösungsmittel gelöstes Flüssigsalz
Separator: Zwischen Anode und Kathode, umgeben von flüssigem Elektrolyt

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.

Aufbau einer Festkörperbatterie

Festkörperbatterien haben einen ähnlichen Aufbau, aber einen entscheidenden Unterschied:

Anode: Häufig hergestellt aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung
Kathode: Ähnlich wie bei Lithium-Ionen-Batterien. Gewöhnlich hergestellt aus Metalloxiden (wie NMC – Nickel, Mangan, Kobalt)
Elektrolyt: Fest; gewöhnlich hergestellt aus Keramik, Polymeren oder Sulfiden
Separator: Häufig integriert mit dem Festelektrolyten, um den Ionenfluss aufrechtzuerhalten. Seine Aufgabe besteht in der Ermöglichung des Ionenflusses bei gleichzeitiger Verhinderung des direkten Kontakts zwischen Anode und Kathode

Der Festelektrolyt ist ein entscheidender Faktor für die zahlreichen Vorteile, die Festkörperbatterien bieten. Dazu gehören eine optimierte Sicherheit und Stabilität.

Aktuelle Herausforderungen für Festkörperbatterien

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.

Hohe Produktionskosten

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.

Technische Herausforderungen

Es gilt außerdem, einige technische Herausforderungen zu bewältigen, an deren Lösung die Hersteller bereits mit Hochdruck arbeiten:

Rissbildung: Zu den gravierendsten Problemen zählt die Bildung von Rissen im Festelektrolyten während der Ladezyklen. Diese Risse können mit der Zeit zu einem höheren Innenwiderstand und einer geringeren Batterieleistung führen.
Ionenleitfähigkeit: Obwohl Festelektrolyte in puncto Sicherheit klare Vorteile bieten, stellt die Erzielung einer Ionenleitfähigkeit, die mit der von Flüssigelektrolyten vergleichbar ist, bei Raumtemperatur nach wie vor eine Herausforderung dar.
Maßstabsvergrößerung: Was bei kleinen Batterien im Labormaßstab funktioniert, stößt bei der für Elektrofahrzeuge erforderlichen Größe oft auf Schwierigkeiten.

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.

Entscheidende Vergleiche

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

Energiedichte

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.

Sicherheit

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.

Lebensdauer und Haltbarkeit

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.

Ladegeschwindigkeit

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.

Aktuelle Fortschritte und Innovationen

Forschungseinrichtungen und Unternehmen erzielen sowohl bei der Lithium-Ionen- als auch bei der Festkörperbatterietechnologie Fortschritte:

So konnte die McGill University durch eine Erhöhung der Porosität in Festelektrolyten die Rissbildung reduzieren und die Haltbarkeit verbessern.
Der Einsatz der Nanopartikeltechnologie dient der Verbesserung der Energiespeicherkapazität und Leitfähigkeit in beiden Batterietypen.
Tesla konzentriert sich auf die NMC- und LFP-Chemie für Lithium-Ionen-Batterien und strebt eine Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren für EV-Batterien an. Aufgrund der aktuellen Gesetzeslage zu in China hergestellten Elektrofahrzeugen ist jedoch zu erwarten, dass LFP-Batterien in Nordamerika für Elektrofahrzeuge an Attraktivität verlieren, jedoch weiterhin für Batteriespeichersysteme verwendet werden.

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.

Was ist besser?

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.

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Stéphane Melançon

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.

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