Mercedes-Benz arbeitet bei der Entwicklung von Festkörperbatterien mit dem kanadischen Batteriematerialspezialisten Hydro-Québec zusammen. Eine entsprechende Entwicklungspartnerschaft für „zukünftige Technologiesprünge von Elektrofahrzeugen“ wurde jetzt geschlossen, wie Daimler berichtet. Ein erster Anwendungsfall in den kommenden Jahren könnten Busse sein. Hier sei das Fahrprofil gut vorhersehbar und der Platz spiele keine so große Rolle wie im Pkw, sagt Prof. Andreas Hintennach, Senior Manager Battery Research bei der Mercedes-Benz AG.
Festkörperbatterien verwenden ein Elektrolyt aus festem Material anstelle des in typischen Lithium-Ionen-Batterien genutzten flüssigen Elektrolyts. Auch die Elektroden bestehen aus festem Material. Das Elektrolyt sorgt dafür, Ionen zwischen den Elektroden hin und her zu transportieren, während die Batterie sich lädt und entlädt. „Festelektrolyte eröffnen die Möglichkeit, neue Anodenarten zu verwenden, wie etwa Lithium-Metall-Anoden, die eine höhere Energiedichte als die heutigen Graphitanoden bei gleichzeitig optimierter Sicherheit bieten“, erläutert Karim Zaghib, General Manager des Center of Excellence in Transportation Electrification and Energy Storage von Hydro-Québec. „Es ist ein sehr spannendes Forschungsgebiet, das noch viele Möglichkeiten bereithält.“
„Aktuell bietet Festkörperbatterie keinerlei Vorteile gegenüber der Lithium-Ionen-Technologie“
Hintennach macht deutlich, dass es noch erhebliche Hürden zu überspringen gilt, bis Festkörperbatterien am Markt eine wichtige Rolle spielen können. Aufgrund des besonderen Fahrprofils von Pkw und Lkw sei die Energiedichte der Technologie momentan noch nicht ausreichend. Außerdem dauere das Laden von Festkörperzellen noch zu lange. „Mit anderen Worten, bislang bietet sie keinerlei Vorteile gegenüber der Lithium-Ionen-Technologie.“ Lkw stellten die größte Herausforderung dar, weil die elektrische und volumetrische Dichte sehr hoch sein müsse und auch Schnellladen eine wichtige Rolle spielt. „Nahezu alle Festkörper-Ionenleiter scheitern bislang in dieser Hinsicht.“
Hydro-Québec-Experte Zaghib weist darauf hin, dass die Lithium-Ionen-Chemie eine „sehr leistungsstarke Chemie mit großem Potenzial“ sei. „Die Umstellung von Lithium-Ionen- auf Festkörperbatterien wird nicht über Nacht erfolgen.“ Trotz der ersten Generation von Lithium-Metall-Polymer-Festkörper-Batterien mit moderater Energiedichte seien weitere Festkörperlösungen noch nicht produktionsreif. „Sie sind es aber auf jeden Fall wert weiter verfolgt zu werden, weil sie einige entscheidende Vorteile bieten.“
Festkörperbatterien als Begleiter, aber nicht als Nachfolger von Lithium-Ionen-Batterien
Neue Generationen dieser Materialien werden schnell aufladbar sein und sind im Grunde nicht brennbar, sagt Zaghib. Momentan arbeite man zum Beispiel an einer Keramiklösung. Es können sowohl Polymer- als auch keramische Festelektrolyte verwendet werden. Sie haben unterschiedliche Eigenschaften und könnten sich jeweils für unterschiedliche Anwendungsfälle eignen. „Insbesondere Keramikmaterialien bieten eine sehr hohe Stabilität gegenüber hohen Temperaturen und können solche hohen Temperaturen zum Beispiel auch bei Schnellladeprozessen sehr gut vertragen.“
Hintennach sieht Festkörperbatterien als Begleiter, aber nicht als Nachfolger von Lithium-Ionen-Batterien. „Die Energiedichte ist in Festkörperbatterien sehr hoch, nicht aber die Leistungsdichte“, erläutert der Mercedes-Batterieforscher. Bei Anwendungen, bei denen die Batterie größer ausfällt – beginnend bei mittelgroßen Pkw – reiche die Leistung nicht aus. „Wenn Sie also eine große Leistung in einem kleinen Paket benötigen, wie etwa einem Sportwagen, ist es vermutlich die falsche Lösung.“ Außerdem sei bei der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie noch viel Luft nach oben. „Wir werden in der Zukunft mehrere Technologien sehen. Es kommt ganz auf die Anwendung an.“
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