Feststoffakku in Serie: Toyota kooperiert mit Idemitsu

Toyota hat viele Jahre an seinen Hybrid-Modellen festgehalten und rein elektrische Modelle links liegen gelassen. Das ändert sich gerade: 2030 will der Hersteller weltweit insgesamt acht Millionen elektrifizierte Autos verkaufen – bei 1,7 Millionen von ihnen soll die Antriebsenergie ausschließlich aus einem Akku kommen. Das erhöht den Batteriedarf. Auch hier wollen sich die Japaner breit aufstellen und unterschiedliche Pakete schnüren.

"So wie wir heute unterschiedliche Motoren anbieten, brauchen wir auch verschiedene Optionen für Batterien. Es ist wichtig, Batterielösungen anzubieten, die mit einer Vielzahl von Modellen und Kundenbedürfnissen kompatibel sind", erklärt der Präsident des neuen Toyota-BEV-Werks, Takero Kato. Schon im Jahr 2026 soll eine vollständige elektrische Produktpalette beim Toyota-Händler stehen, die batterietechnisch weitaus fortschrittlicher ist als heutige Modelle. Toyota will dafür verschiedene Batteriepakete anbieten, die sowohl erschwingliche E-Autos als auch leistungsfähigere ermöglichen. Davon profitieren werden auch die Marken Lexus und Crown (siehe Galerie).

Flachere Akkus für bessere Aerodynamik

Die Aerodynamik ist entscheidend für die Reichweite eines jeden Elektrofahrzeugs. Toyota will dafür in Zukunft die Frontfläche der Fahrzeuge verkleinern. Im Mittelpunkt steht dabei die Höhe der Batterie, die normalerweise unter dem Fahrzeugboden untergebracht ist. Dies führt jedoch zu einem Anstieg der Gesamtfahrzeughöhe, was sich wiederum überproportional auf den cW-Wert und damit auf die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt.

Aus diesem Grund feilen die Japaner an einer möglichst flachen Batterie: Misst das aktuelle Batteriepaket des Toyota bZ4X noch 150 Millimeter in der Höhe (inklusive Gehäuse), sollen künftige Akkus 120 Millimeter bzw. in Hochleistungsfahrzeugen mit niedrigem Schwerpunkt sogar nur 100 Millimeter hoch sein. Diese Fortschritte könnten sich positiv auf Reichweite, Fahrverhalten und Packaging auswirken.

Günstig: Lithium-Eisenphosphat-Batterie

Für die einfachen Volumenmodelle wird eine bipolare Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP) zum Einsatz kommen. Im Vergleich zum aktuellen bZ4X streben die Japaner mit dieser Technik eine um 20 Prozent höhere Reichweite bei 40 Prozent geringeren Kosten an. Schnelles Aufladen von 10 auf 80 % SOC soll in weniger als 30 Minuten möglich sein. Die sogenannte "Popularisation"-Batterie basiert auf der bipolaren Technologie, die Toyota schon mit seinen Nickelmetallhydrid-Hybridbatterien eingeführt hat, und nutzt Lithium-Eisenphosphat (LiFePO) als Kernmaterial.

Momentan startet das 4,69 Meter lange SUV bZ4X FWD bei 47.490 Euro. Dessen monopolarer 71,4 kWh großer Lithium-Ionen-Akku reicht beim 204 PS starken Modell mit Vorderradantrieb für eine Fahrstrecke von bis zu 412 Kilometern.

Lithium-Ionen-Akkus mit gasförmigem Wasserstoff

Kurzfristig soll jene Lithium-Ionen-Technologie helfen, die mit dem Prius/Yaris-Zwitter namens Aqua auf dem Heimatmarkt angeboten wird. Dessen Akkuzellen nutzen gasförmigen Wasserstoff als aktives Material und verfügen über bipolare Elektroden: Die Kathode und die Anode sitzen jeweils gegenüber direkt am jeweiligen Stromabnehmer. Zuvor waren diese Teile voneinander getrennt, weshalb mehr Stromabnehmer verbaut sein mussten. Die Neuerung bietet nicht nur die Möglichkeit, eine höhere Anzahl der dadurch kompakteren Zellen in die Batterie zu integrieren. So ergeben sich zudem eine größere aktive Oberfläche und geringere Widerstände. Toyota zufolge ist der Akku doppelt so leistungsstark wie jener des Vorgängers, was bei Hybrid-Modellen nicht nur in längeren rein elektrischen Fahrphasen, sondern auch in einer direkteren Reaktion auf das Fahrpedal resultieren soll.

Das ist jedoch nur ein erster Schritt bei der Lithium-Ionen-Technologie. In der zweiten Hälfte der 2020er-Jahre will Toyota eine komplett neue Generation an Energiespeichern dieser Bauart in seinen Autos anbieten. Dabei sollen fünf Punkte in Balance gebracht werden: Sicherheit, Lebensdauer, ein hohes Qualitätsniveau, eine starke Performance und bezahlbare Kosten. Obwohl der erste Aspekt die Hauptrolle spielt, kommt doch vieles auf den letzten Punkt an. Die Kosten für Elektroauto-Batterien will Toyota bis 2030 um 50 Prozent pro Auto senken. Gleichzeitig soll die Leistungseffizienz um 30 Prozent gesteigert werden, um die Kapazität der Akkus um diesen Anteil verringern zu können – bei gleicher Reichweite, versteht sich. Um das zu erreichen, nimmt Toyota auch seine Zulieferer in die Pflicht; unter anderem sind CATL, Panasonic und Toshiba als Kooperationspartner bei den E-Auto-Akkus an Bord.

Performance-Batterie für 1.000 km

Parallel zur Lithium-Eisenphosphat-Technik arbeitet Toyota an einer Performance-Batterie mit höherer Energiedichte. Diese Hochleistungsbatterie kombiniert die bipolare Struktur mit Lithium-Ionen-Chemie und einer Nickel-Kathode. Die Japaner verraten nur so viel, dass die Batterie "quadratisch" und um 20 Prozent günstiger sein wird als das schon bekannte bZ4X-Paket. Performance bedeutet in diesem Fall auch schnelles Laden. In nur 20 Minuten sollen 80 Prozent SOC erreicht sein (10 bis 80 %).

Diese Performance-Batterie könnte schon 2026 in einigen der neuen Modelle auf den Markt kommen. Im Fokus der Fahrzeugentwicklung stehen ebenso Gewichtsreduzierung, Aerodynamik und Fahreffizienz – alles zusammen könnten dieser kommenden Akku-Generation Reichweiten von bis zu 1.000 Kilometer ermöglichen. Doch Vorsicht: Schon jetzt locken die bZ4X-Anzeigen mit Reichweiten-Versprechen bis 688 Kilometer. Gemeint ist dabei der Stadtfahrzyklus (EAER City).

Feststoff-Prototypen bis 2027 marktreif

Ebenfalls in der zweiten Hälfte der 2020er-Jahre will Toyota Festkörper-Batterien serienreif haben. Das Unternehmen geht davon aus, dass die Reichweite seiner Festkörper-Batterie im Vergleich zur zuvor erwähnten Performance-Batterie nochmals um 20 Prozent größer sein wird. Damit stünde eine Strecke von 1.200 Kilometern im Lastenheft. Bislang wurde für Feststoff-Akkus eine kürzere Lebensdauer erwartet. Dieses Problem hat Toyota nach eigenen Angaben gelöst – die Japaner sprechen von einem Durchbruch bei der Technik.

Ursprünglich für Hybridfahrzeuge vorgesehen, legt das Unternehmen seinen Schwerpunkt nun auf die Massenproduktion von Feststoff-Batterien für Elektroautos der nächsten Generation. Eine solche Batterie würde es Fahrzeugen ermöglichen, innerhalb von zehn Minuten von 10 auf 80 % SOC aufzuladen. Bereits jetzt arbeitet Toyota an einer Festkörper-Batterie mit noch höherer Spezifikation. Diese soll rund 50 Prozent mehr Reichweite ermöglichen, als es die Performance-Variante verspricht. Rechnerisch sind das also 1.500 Kilometer. Eine Übersicht über die Toyota-Strategie der kommenden Jahre gibt dieser Technologie-Plan:

Erdölriese liefert wichtige Rohstoffe

Kernbestandteil der Feststoff-Batterie sind sogenannte Sulfid-Festelektrolyte aus Schwefel-Basis, die Toyota entwickelt hat. Für die Massenproduktion vereinbarten die Japaner nun eine Partnerschaft mit Idemitsu Kōsan K.K. – ein japanisches Erdöl- und Energieunternehmen und der zweitgrößte Betreiber von Erdöl-Raffinerien im Land. Durch den Bau einer großen Pilotanlage wird Idemitsu die Herstellung von Sulfid-Festelektrolyten vorantreiben und für die Massenproduktion vorbereiten.

Idemitsu hat außerdem Produktionstechnologien für Lithiumsulfid entwickelt, einem Zwischenprodukt für Festelektrolyte, wobei Nebenprodukte verwendet werden, die bei der Erdölraffinierung entstehen. Zusammen mit Toyota wollen die Japaner die Markteinführung von batterieelektrischen Fahrzeugen mit Feststoff-Akkus in den Jahren 2027 bis 2028 sicherstellen.

Fester statt flüssiger Elektrolyt

Festkörper-Batterien gelten als heiliger Gral der Akkuforscher, denn an den aktuell in den meisten E-Autos verwendeten Li-NMC-Batterien (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt) stört zweierlei: Gewisse Grenzen bei der Erweiterung der Leistungsfähigkeit und ein flüssiger Elektrolyt, der potenziell feuergefährlich ist. Bei der Festkörper-Batterie ist dieser – der Name sagt es – fest. Allerdings gibt es Lithium-Polymer-Batterien (wie beim Mercedes eCitaro), bei denen der Elektrolyt aus nichtflüssigen, aber elastischen Stoffen besteht, die theoretisch auch zu den Festkörper-Batterien gezählt werden können. Wichtigstes Unterscheidungsmerkmal zu den "echten" Feststoff-Akkus: Der Elektrolyt der Lithium-Polymer-Batterien ist dennoch brennbar.

Anders verhält es sich mit keramischen Elektrolyten. Neben der Brandsicherheit haben solche Festkörper-Batterien theoretisch auch eine höhere Leistung. Maximilian Fichtner, Professor für Festkörperchemie an der Universität Ulm und stellvertretender Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung, erklärt das so: "Der feste Elektrolyt ist eigentlich ein Hilfsmittel. Er soll die Struktur aus Graphit auf der Minuspolseite überflüssig machen, man könnte sie dann durch reines Lithium ersetzen. Die Speicherkapazität von reinem Lithium beträgt nämlich 2860 mAh/g. In aktuellen Anoden, in denen Graphit das Lithium speichert, kommt man nur auf 370 mAh/g. Das heißt, wir verlieren im Augenblick quasi aus Sicherheitsgründen auf der Minuspolseite den Faktor acht."

Das Graphit setzt man ein, "weil reines Lithium in einem Flüssigelektrolyt nadelartige Strukturen auf der Oberfläche bildet, wenn man es immer wieder anlagert und auslöst. Diese so genannten Dendriten wachsen in die Zelle, durchbohren Grenzschichten. Dadurch entstehen Kurzschlüsse, die Zelle wird heiß, der Elektrolyt verdampft, die Batterie platzt und beginnt zu brennen. Mit der keramischen Schicht des festen Elektrolyten hofft man, eine mechanische Sperre gegen die Dendritbildung zu haben und die Minuspol-Seite ließe sich wie beschrieben massiv verbessern," so Fichtner.

Mit welchen Schwierigkeiten Toyota kämpft

Der feste Elektrolyt habe aber auch Nachteile: "Wenn die Batterie sich ein wenig ausdehnt oder schrumpft, kann eine Flüssigkeit dem folgen, die Oberflächen bleiben immer benetzt. Beim festen Elektrolyt besteht das Risiko, dass der Oberflächenkontakt abreißt, dann gibt es keinen Ladungstransport mehr." Mit diesen Schwierigkeiten und Forschungsthemen beschäftigt sich auch Toyota – wohl am intensivsten unter den Autobauern. Die Japaner haben dabei festgestellt, dass Feststoff-Akkus mit einer geringeren Lebensdauer zu kämpfen haben. "Wir wollen unsere Entwicklung vor allem auf diesen Aspekt fokussieren", sagt Masahiko Maeda, Chief Technical Officer bei Toyota.

Meldeten BMW oder VW etwa Millionen-Investitionen in entsprechende Firmen oder Beteiligungen, hat Toyota angeblich 23 Milliarden in einen lang angelegten Forschungsplan gesteckt. Eigentlich wollten die Japaner bei den Olympischen Sommerspielen in Tokio als Hauptsponsor die bisherigen Ergebnisse präsentieren – auch in Form von Prototypen. Corona-bedingt wurde Olympia verschoben, doch auch beim Nachholen ein Jahr später blieb die Präsentation aus. Aktuell plant Toyota, im nächsten Jahr erste Versuchsträger mit den neuen Akkus auf Probefahrt zu schicken.

Das Fachmagazin Automotive News Europe befragte im Juli 2020 Keiji Kaita, Vorstand bei Toyota und verantwortlich für die Antriebsstrangentwicklung sowie die Batteriesparte, nach dem Stand der Dinge und was die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien aktuell noch verhindert. Kaita erwartet, dass die Festkörper-Batterien leichter, sicherer, haltbarer und damit letztlich billiger werden als die aktuellen Li-NMC-Akkus. Die Prototypen von Festkörper-Zellen lassen sich laut Kaita zudem deutlich schneller laden. Leere Zellen seien bereits nach 15 Minuten wieder vollgeladen, das sei signifikant schneller als bei aktuellen Zellen, so Kaita.

Verbesserungsbedarf bei Sicherheit und Haltbarkeit

Das ist eher überraschend für Festkörper-Batterien – bei der Lithium-Polymer-Batterie des eCitaro sind Ladeleistung und damit Ladegeschwindigkeit um etwa den Faktor vier geringer als beim gleichzeitig angebotenen Li-NMC-Akku. Professor Fichtner vermutet, dass sich die Japaner zunutze machen, "dass die Leitfähigkeit des Elektrolyts bei erhöhten Temperaturen stark ansteigt. Während hohe Temperaturen bei Zellen mit Flüssigelektrolyt vermieden werden, kann eine Festkörper-Zelle erhöhte Temperaturen vertragen. Man muss keine beziehungsweise weniger Nebenreaktionen befürchten, wie sie beim Flüssigelektrolyt auftreten".

Allerdings bestehe noch Verbesserungsbedarf bei Sicherheit und Haltbarkeit. Dabei beschreibt Kaita genau die Probleme, die Fichtner nennt: Der Elektrolyt – bei Toyota eine Glaskeramik aus einer Phosphor-Schwefel-Verbindung – müsse unter hohem Druck komprimiert werden, damit die Ionen möglichst leicht hindurchwandern können. Gleichzeitig muss er flexibel genug bleiben, um Ausdehnung und Kontraktion der Anode während Ladung und Entladung ausgleichen zu können oder eine möglichst geringe Deformation zu erreichen. Der Durchbruch könne in neuen Materialien oder in einem speziellen Design liegen.

Aktuell sind die Zellen harte, plattenartige Rechtecke in der Dicke eines Spiralblocks. Sie sind in Beuteln versiegelt, um keine Feuchtigkeit einzulassen, und dann zu Modulen angeordnet. Ihre Herstellung ist aufwändig und muss in absolut trockener Umgebung ablaufen. Aktuell passiert das noch in einer Art von transparenten Ständen, in die Arbeiter durch Löcher mit Handschuhen greifen müssen – nichts, was irgendwie in Massenproduktion vorstellbar ist.

Toyota im Plan, aber nicht schnell

Trotzdem sieht Kaita Toyota noch im Plan. 2025 soll eine Kleinserienproduktion beginnen. Die Japaner entwickeln die Feststoff-Batterien in einem Joint-Venture mit Panasonic namens Prime Planet Energy & Solutions Inc. Es hat 5.100 Angestellte, 2.400 davon bei einem chinesischen Subunternehmen. Panasonic nahm im April den Betrieb auf.

Anfangs, ohne Massenproduktion, werden die Festkörper-Batterien teurer sein als Lithium-Ionen-Akkus. Kaita vermutet, dass das Produktionsvolumen in den ersten Jahren gering bleiben wird und dass die Kosten erst deutlich unter 100 Dollar pro Kilowattstunde fallen müssen, um mit Antriebssträngen mit Verbrennungsmotoren konkurrieren zu können.

Das könnte umso schwieriger werden, als Toyota das Ziel hat, Batterien zu bauen, die auf sehr lange Sicht mehr als 90 Prozent ihrer Leistungsfähigkeit behalten – und mit sehr langer Sicht sind Zeiträume von 30 Jahren gemeint. Erreichen will Kaita das, indem die Leistung der Batterien sich anpasst – oder durch ein ausgeklügeltes Kühlsystem. Alternativ ließe sich das auch über ein entsprechendes Nutzungs- und Ladeprofil erreichen – so oder so brauche es einen ganzheitlichen Ansatz, so der Experte.