Feststoffbatterien – Serieneinsatz bald erwartet
Die Achillesferse der batterieelektrischen Mobilität ist nach wie vor der Energiespeicher. Die Kosten sind trotz Automatisierung und vor allem kostengünstiger Produktion aus dem asiatischen Raum hoch, und die Speicherkapazität ist in punkto Volumen und Masse einem chemischen Energieträger (wie Benzin oder Diesel) deutlich unterlegen. Entsprechend wird bei Batterie- und Automobilherstellern mit Hochdruck an neuen Zellchemien geforscht und der Serieneinsatz geprüft. Ziel ist es, mehr Energie pro Masse speichern zu können und gleichzeitig die Anforderungen an eine Traktionsbatterie – wie hohe Lade- und Entladeströme sowie ein breites Temperaturfenster im Betrieb – zu ermöglichen.
Am vielversprechendsten sind aktuell Feststoffbatterien – auf Englisch «Solid-State Batteries», kurz SSB. Diese neue Technologie basiert auf der bekannten Lithium-Ionen-Technik und verfügt über keinen flüssigen, sondern einen festen Elektrolyten. Der Vorteil: Bei vergleichbarem Volumen sind höhere Energiedichten möglich. Statt rund 120 Wh Kapazität pro kg Masse können SSB bis zu 500 Wh/kg speichern. Damit steigt die Reichweite bei gleicher Batteriemasse signifikant. Mercedes hat erste Prototypen eines modifizierten EQS-Modells vorgestellt, die eine Reichweite von über 1000 km erlauben sollen.
Die höhere Energiedichte ist zweifelsohne der Pluspunkt von Feststoffbatterien. Die Technologie weist aber ein paar technisch nicht einfach zu beherrschende Herausforderungen auf. Auffällig ist, dass SSB sich beim Laden und Entladen volumetrisch ausdehnen. Die Volumenzunahme und -abnahme kann bis zu 10 % betragen. Der Aufbau eines Batteriemoduls mit diesen Zellen muss entsprechend eine Ausdehnungsmöglichkeit aufweisen, und die Zellverbinder müssen elastisch sein, um auch nach vielen Lade- und Entladezyklen eine sichere Verbindung zu gewährleisten. Insbesondere die Zellverbinder müssen neu gedacht und flexibel gestaltet werden, was auch die Automatisierung der Produktion vor Herausforderungen stellt. Die Leitfähigkeit für die Lithiumionen ist in SSB ebenfalls eine Challenge. Damit die Ionen durch den Festseparator und mittels dem Festelektrolyt zirkulieren können, müssen aktuelle Feststoffbatterien auf ca. 80 °C temperiert werden. Dies bedeutet einen deutlich höheren Aufwand beim Thermomanagement, um vor der Fahrt, insbesondere bei niedrigen Aussentemperaturen, die Batterie auf Betriebstemperatur zu bringen. Um das höhere Energiepotential auszuschöpfen, müssten Kundinnen und Kunden künftig insbesondere im Winter noch besser planen, wann genau das Fahrzeug eingesetzt werden soll. Ist das Fahrzeug an der Ladesäule, kann die notwendige Heizenergie aus dem Netz bezogen werden und die Batterie zur gewünschten Uhrzeit aufgeheizt sein, um ihr Potential optimal auszuschöpfen.