Startseite > Power > Energiespeicher > Können Festkörperbatterien ihr Potenzial ausschöpfen?

EV-Batterien für 1000 km Reichweite

Können Festkörperbatterien ihr Potenzial ausschöpfen?

13. Mai 2025, 7:30 Uhr | Von Mark Patrick

Die Ladezeiten von Elektrofahrzeugen sind nur ein Aspekt, der durch Festkörperbatterien verbessert werden könnte.

Festkörperbatterien versprechen einzigartige Vorteile in Bezug auf Leistung und Sicherheit, doch bis zu einer breiten kommerziellen Nutzung ist es noch ein weiter Weg.

▶ Diesen Artikel anhören

Einige innovative Technologien beflügeln die Fantasie und werden in verschiedenen Sektoren eingehend diskutiert. Festkörperbatterien passen zu dieser Beschreibung. Dieser relativ neue Batterietyp wird als leichter, sicherer und leistungsstärker angepriesen und soll eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) aufweisen. Es wird vorausgesagt, dass dieser Batterietyp mehrere Bereiche verändern wird, darunter Elektrofahrzeuge, Konsumgüter und Speicher für erneuerbare Energien.

Weltweit belief sich der Markt für Festkörperbatterien 2022 auf 126,7 Millionen US-Dollar und sollte bis zum Vorjahr auf voraussichtlich 240,18 Millionen US-Dollar anwachsen. Eine atemberaubende Zukunftsprognose: Bis 2030 schließlich wird ein Wert von 1,646 Milliarden US-Dollar prognostiziert, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von fast 40 Prozent während des Vorhersagezeitraums. Eine rasante Entwicklung, selbst wenn man die technischen Herausforderungen berücksichtigt, die einer breiten Akzeptanz im Wege stehen könnten.

Großes Interesse an Festkörperbatterien

Natürlich beruht die Begeisterung für Festkörperbatterien zum Teil auf den Nachteilen bestehender wiederaufladbarer Batterien, die in zahlreichen Applikationen wie Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Technologien wie Lithium-Ionen haben in den letzten Jahren rasante Fortschritte gemacht, haben aber immer noch ihre Grenzen.

Gewicht und Kapazität waren zwei der größten Nachteile. Bei Elektroautos führen diese Einschränkungen zu Reichweitenangst, bei mobilen Geräten zu einem klobigeren Design und umständlichem Aufladen.

Neben Gewicht und Kapazität ist auch die Sicherheit ein Problem. Die Elektrolytflüssigkeit, die die Lithium-Ionen enthält, ist hochgradig flüchtig und brennbar, was zu einer möglichen Brand- oder Explosionsgefahr führt, insbesondere bei hohen Temperaturen.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Es sind Alternativen zu herkömmlichen Zellen mit flüssigem Elektrolyt erforderlich, die eine höhere Energiedichte und bessere Sicherheit bieten. Hier kommen Festkörperbatterien ins Spiel. Die grundlegenden Unterschiede in der zugrundeliegenden Chemie bringen in mehreren Schlüsselbereichen erhebliche Vorteile mit sich, solange wichtige technische Herausforderungen bewältigt werden können.

Chemie von Festkörperbatterien

In einer typischen Lithium-Ionen-Zelle gibt es zwei feste Elektroden – die Kathode und die Anode –, einen zentralen Separator, der als mechanische Barriere dient, und den flüssigen Lithium-Ionen-Elektrolyten. In einer Festkörperbatterie hingegen dient ein festes Substrat aus Keramik oder Polymer sowohl als Separator als auch als Elektrolyt und trennt so effektiv die Kathode und die Anode, die typischerweise aus reinem Lithium bestehen (Bild 1).

Bei Festkörperbatterien können verschiedene Arten von Festelektrolyten mit jeweils spezifischen Eigenschaften verwendet werden. Elektrolyte aus Keramik bieten beispielsweise eine hohe Leitfähigkeit für Ionen und thermische Stabilität, während Sulfidelektrolyte Flexibilität und eine bessere Ionenbewegung ermöglichen. Durch die Verwendung nicht brennbarer Festelektrolyte anstelle der brennbaren flüssigen Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien können Risiken wie thermisches Durchgehen und Kriechverluste vermieden werden.

Durch die veränderte Bauweise in Verbindung mit dem Einbau einer reinen Lithiumanode ergeben sich deutlich höhere Energiedichten. Dadurch liegt das Potenzial von Festkörperzellen bei bis zu 11 kWh/kg, wobei kurzfristig etwa 1 kWh/kg erreicht werden können. Dieser Wert übertrifft die Fähigkeiten heutiger Zellen und kann zu einer Gewichtsreduktion von bis zu 30 Prozent bei gleicher Kapazität führen.

Mögliche Anwendungsbereiche von Festkörperbatterien

Für Entwickler kann ein solcher technischer Fortschritt einen großen Unterschied bedeuten. Bei Fahrzeugapplikationen kann durch eine Erhöhung der Dichte einer Batterie die Größe der Batterie insgesamt reduziert werden, wodurch die Nutzlast des Fahrzeugs erhöht oder die Reichweite vergrößert werden kann. Für gewerbliche Nutzer und private Autobesitzer ergeben sich dadurch möglicherweise ausreichende Kosten- oder Leistungsvorteile, um den Umstieg von Autos mit Verbrennungsmotor auf Elektrofahrzeuge zu rechtfertigen.

Festkörperbatterien könnten auch als Energiequelle für Elektronikgeräte wie Smartphones, Laptops und Wearables eingesetzt werden. In jedem Fall sind Faktoren wie erhöhte Sicherheit, höhere Energiedichte, längere Lebensdauer und verbesserte Flexibilität beim Design überzeugende Gründe für einen Wechsel.

Andere Applikationen rücken ebenfalls in den Vordergrund. Durch die zunehmende Digitalisierung öffentlicher Bereiche kommt es immer häufiger zur Einführung batteriebetriebener, IoT-basierter Knotenpunkte in städtischen Gebieten und Industrien. Diese Netzwerke werden für zahlreiche Aktivitäten eingesetzt, wie etwa für die Verfolgung von Assets, vorausschauende Wartung, Energiemanagement und die Überwachung von Smart Cities. Hier können kleinere, sicherere und langlebigere Batterien die Leistung verbessern und die Kosten der IoT-Architektur senken, was wiederum neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnet.

Herausforderungen bei Produktion und Skalierbarkeit bewältigen

Unter technischen Gesichtspunkten ist das Potenzial von Festkörperbatterien also unübersehbar. Aber man muss auch realistisch bleiben. Es gibt mehrere technische und fertigungstechnische Hürden, darunter Produktionskomplexität, Skalierungsprobleme, Materialkompatibilität, Langlebigkeit und Kosten.

Festelektrolyte haben im Allgemeinen eine geringere ionische Leitfähigkeit als organische Elektrolyte, insbesondere bei Raumtemperatur, was die Leistung von Festkörperbatterien einschränkt. Sie können auch relativ spröde werden, was ihre Haltbarkeit beeinträchtigt. Bei der Herstellung von Festkörperbatterien müssen dünne, einwandfreie Schichten aus Festelektrolyt hergestellt und ein ultrafeiner, präziser Kontakt mit den Elektroden geschaffen werden. Für diese Prozesse sind hochpräzise Verfahren und Steuerung erforderlich. Die Skalierung solcher Prozesse stellt auch eine Herausforderung für die Qualität und Konsistenz dar, die überwunden werden muss, um die kommerzielle Durchführbarkeit zu erreichen.

Laut einem Artikel aus dem Jahr 2024 mit dem Titel Advancements and Challenges in Solid-State Battery Technology: »An In-Depth Review of Solid Electrolytes and Anode Innovations« (Fortschritte und Herausforderungen in der Technologie von Festkörperbatterien: Eine eingehende Überprüfung von Festelektrolyten) stellen Materialauswahl und Kosten ebenfalls Herausforderungen dar, die überwunden werden müssen. Auch schreiben die Autoren des Artikels, dass die Suche nach geeigneten Materialien für Festelektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit, mechanischer Festigkeit und Stabilität aufwändig sein kann. Viele der aussichtsreichen Festelektrolytmaterialien sind teuer oder nur mit hohem Aufwand in ausreichenden Mengen synthetisierbar, was Fragen zur Kosteneffizienz von Festkörperbatterien aufwirft. Auch die Suche nach kompatiblen Elektrodenmaterialien, die mit diesen Festelektrolyten effizient arbeiten können, stellt eine weitere Herausforderung für die Fertigung dar.

Aktuelle Fortschritte bei der Kommerzialisierung

Ungeachtet dieser Herausforderungen wurden intensive Forschungs- und Entwicklungsbemühungen im Bereich Festkörperbatterien unternommen, und mehrere Unternehmen haben kommerziell nutzbare Produkte entwickelt – wenn auch in relativ kleinem Maßstab. TDK hat beispielsweise ein proprietäres Material für seine CeraCharge-Festkörperbatterien eingeführt. In der nächsten Generation bietet diese Technologie bereits eine Energiedichte von 1.000 Wh/l, was etwa dem Hundertfachen der Energiedichte der frühen Festkörperbatterien von TDK entspricht. TDK zufolge kann die Technologie in tragbare Geräte wie kabellose Kopfhörer, Hörgeräte und Smartwatches integriert werden, um vorhandene Knopfzellen zu ersetzen.

Mittlerweile beschäftigen sich auch globale Automobilhersteller wie Mercedes-Benz mit der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien. Das Unternehmen kündigte kürzlich eine Partnerschaft mit dem US-amerikanischen Start-up-Unternehmen Factorial an, um eine Festkörperbatterie zu entwickeln, mit der die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Vergleich zur heutigen Durchschnittsleistung um etwa 80 Prozent erhöht werden könnte. Diese neue sulfidbasierte Batterie mit der Bezeichnung Solstice hat eine Energiedichte von 450 Wh/kg und bleibt auch bei Betriebstemperaturen von über +90 °C stabil. Darüber hinaus soll diese nur noch ein Drittel der Größe typischer Lithium-Ionen-Batterien aufweisen, was zu einer Gewichtsersparnis von 40 Prozent führt (Bild 2).

Toyota hat angekündigt, bis 2027/2028 seine erste Festkörperbatterie für seine Elektrofahrzeuge der nächsten Generation einzuführen. Sie soll eine Reichweite von etwa 1.000 km bieten und in 10 Minuten oder weniger auf 10 bis 80 Prozent aufgeladen werden können. Toyota hat außerdem die Entwicklung einer Lithium-Ionen-Festkörperbatterie mit noch besseren technischen Daten bestätigt, die im Vergleich zu den Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt der Baureihe Performance eine Verbesserung der Reichweite um 50 Prozent ermöglichen soll.

Der entscheidende Moment für die Einführung von Festkörperbatterien

Festkörperbatterien sorgen in vielen Bereichen für Aufsehen. Die Technologie birgt ein enormes Potenzial für Elektrofahrzeuge, Elektronik für Verbraucher und IoT-Netzwerke, wobei die Vorteile in Bezug auf Gewicht, Sicherheit, Haltbarkeit und Energiedichte die Leistung erheblich verbessern. Bis zu einer breiten Akzeptanz ist es jedoch noch ein weiter Weg, da sich die Entwickler mit den Herausforderungen der Fertigung, Skalierbarkeit und Konsistenz auseinandersetzen müssen. Doch kontinuierliche Fortschritte in der Nanotechnologie, Materialwissenschaft und Elektrochemie werden wahrscheinlich dazu beitragen, die aktuellen Herausforderungen zu bewältigen und den Weg für eine breite Akzeptanz zu ebnen. Mit Unternehmen wie TDK, Mercedes-Benz und Toyota, die ihre Pläne und Produkte veröffentlichen, hat die Dynamik im Bereich der Festkörperbatterien einen wichtigen Punkt erreicht, sodass sie eine gute Wahl für die Zukunft sind.