Die Batterieentwicklung ist immer ein Kompromiss. Wird eine positive Eigenschaft der Batterie in den Vordergrund gerückt, leidet eine andere. So schränkt etwa meist die Schnellladefähigkeit die Lebensdauer ein. Eine hohe Energiedichte wiederum lässt den Preis explodieren und eine hohe thermische Sicherheit lässt sich oft nur mit niedrigen Ladeleistungen und geringen Energiedichten realisieren.
Ein Teufelskreis, aus dem Forscher seit einiger Zeit mit einer neuen Batterietechnologie versuchen auszubrechen: der Festkörperbatterie. Sie soll alles vereinen: hohe Energiedichte, einen niedrigen Preis, hohe Laderaten, lange Lebensdauer und trotzdem ein hohes Maß an Crash- und Brandsicherheit bieten – zudem soll sie auch noch günstiger sein.
Extrem hohe Energiedichte der Zelle
Dem chinesischen Batteriehersteller Svolt (seine geplante Batteriefabrik im Saarland sehen Sie in der Bildergalerie) will genau bei dieser Technik jetzt ein Durchbruch gelungen sein. Man habe kürzlich eine erste Charge von 20-Ah-Pouch-Zellen produziert. Bei Teslas 4680 Rundzellen, wie sie etwa im Model Y zum Einsatz kommen, geht man von einer Speicherkapazität von rund 25 Ah aus. Die gravimetrische Energiedichte der Svolt-Zelle liege bei 350 bis 400 Wh pro Kilogramm. Laut Svolt seien so Reichweiten von bis zu 1000 Kilometer möglich.
Zum Vergleich: Die LFP-Akkus (mit Lithium-Eisen-Phosphat-Kathode) des chinesischen Unternehmens kommen auf Energiedichten von 180 Wh/kg. Die Kobalt freien Nickel-Mangan-Akkus, kurz NMX-Akkus oder Nickel-Rich-Akkus mit 226 Ah pro Zelle von Svolt, wie sie etwa im chinesischen Kleinwagen Ora Cherry Cat zum Einsatz kommen, erreichen 170 Wh/kg. Leistungsstarke LFP-, NMC- oder NMA-Akkus von Herstellern wie CATL, LG oder Panasonic, wie sie etwa Mercedes beim EQS oder Tesla einsetzen, liegen bei Energiedichten zwischen 120 bis 270 Wattstunden pro Kilo.
So wird geschätzt, dass die LFP-Zellen von CATL im Tesla Model 3 etwa auf eine Energiedichte von 126 Wh/kg kommen, die 4680-NMC- und NCA-Rundzellen (mit einer Kathode aus Nickel Mangan und Kobalt oder Nickel, Mangan und Aluminium) im Tesla Model Y auf rund 270 Wh/kg. Die dritte Generation der CATL Cell-to-Pack-Systeme mit NMC-Kathode soll bei 250 Wh/kg liegen. Die postulierten Werte von Svolt mit 350 bis 400 Wh/kg wären daher ein beachtlicher Meilenstein.
Sicherheitstest waren erfolgreich
Von einem Großserienmaßstab ist in der Presseerklärung zwar noch nicht die Rede, aber von einem erfolgreich bestandenen Sicherheitstest, dem sogenannten Abuse-Tests. Dabei wird beispielsweise die thermische Stabilität der Zellen in einem 200 Grad Celsius heißen Ofen getestet. Außerdem sei der sogenannte Nageltest durchgeführt worden, bei dem ein Nagel durch die Zelle geschlagen wird, um zu überprüfen, welche Eigenschaften die Zelle bei mechanischer Zerstörung hat.
Die meisten Lithium-Ionen-Zellen (außer etwa Lithium-Eisen-Phosphat, LFP) würden bei diesen Tests mit großer Sicherheit thermisch durchgehen (Thermal Runaway), oder mit einfachen Worten: in einem mittelgroßen Inferno abbrennen. Der Grund: Der Nagel produziert einen Kurzschluss in der Batterie, große Ströme fließen, die Zelle heizt zu stark auf und der flüssige Elektrolyt beginnt zu brennen, es entwickelt sich Gas, das breitet sich aus und im schlimmsten Fall explodiert die Zelle sogar.
Serienreife noch nicht erreicht
Aufgrund des Festkörperelektrolyts ist das bei Festkörperbatterien nicht der Fall. Am Ziel ist Svolt mit seinen 20Ah-Zellen und dem sulfidbasierten Elektrolyt allerdings noch nicht. Es gelte noch weitere technische Herausforderungen zu überwinden, die dem Durchbruch der Technik entgegenstünden. Etwa eine hohe Leitfähigkeit des Elektrolyts und der Trennschichten, sowie die Aufrechterhaltung der Grenzflächen, also eine lange Lebensdauer. Außerdem arbeite man noch an den Schnellladefähigkeiten der Zelle.
Spätestens bei all diesen offenen Flanken wird klar: Svolt hat mit den neuen Zellen nur einen Teilerfolg errungen. Bis die Technik wirklich dort ist, wo sie sein muss, um ein Auto 1000 Kilometer weit zu bringen gilt es noch einiges zu verbessern. Außerdem steht noch der komplette Industrialisierungsprozess aus, also die Ergebnisse, die im Labor erreicht wurden, auch in die Großserie zu überführen. Gerade bei komplexen Komponenten wie einer Batterie, eine der schwersten Aufgaben.
Fazit
Im Bereich der Feststoffbatterieforschung waren im reinen Labormaßstab auch schon 700 Wh/kg möglich. Für die breite Anwendung wären aber auch Zellen mit der Energiedichte von bis zu 400 Wh pro Kilo bereits ein echter Gewinn und Meilenstein für die Elektromobilität. Wenn es dem chinesischen Batteriehersteller gelingt, diese Energiedichte mit all den Vorteilen der Festkörperakkus auch noch in Großserie zu bringen, wäre das ein Gamechanger für die gesamte Branche.
