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Jul 23, 2023

Wird solide

Jahrzehntelange harte Arbeit ist in die Verbesserung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie (Li-Ion) geflossen. Obwohl sich die Leistung verbessert hat und die Kosten sinken, haben die Fortschritte es nicht geschafft, die Angst vor der Reichweite zu beseitigen.

Jahrzehntelange harte Arbeit ist in die Verbesserung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie (Li-Ion) geflossen. Obwohl sich die Leistung verbessert hat und die Kosten sinken, haben die Fortschritte es nicht geschafft, die Angst vor der Reichweite zu beseitigen. Werden Festkörperbatterien das schaffen?

Reichweitenangst ist ein Problem mit vielen Ursachen, das vor allem bei Fahrern „neuer“ Elektrofahrzeuge (EV) weit verbreitet ist. Dazu gehören der eklatante Mangel an öffentlicher Ladeinfrastruktur und die enttäuschende Leistung der aktuellen Li-Ionen-Batterietechnologie. Auch der Preis spielt eine Rolle: Warum auf Elektro umsteigen, wenn das mit Reichweitenangst und einem höheren Aufkleberpreis einhergeht?

Nach Angaben der International Energy Association lag der weltweite Durchschnitt für ein neues batterieelektrisches Fahrzeug im Jahr 2021 bei knapp über 36.000 US-Dollar – ein Rückgang von 7 % gegenüber 2020. Der Preis für ein neues Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) blieb stabil bei 51.000 US-Dollar. Trotz des Zustroms preisgünstigerer chinesischer Elektrofahrzeuge wird der volumengewichtete Durchschnittspreis (VWAP) von Elektrofahrzeugen für das gesamte Jahr 2023 voraussichtlich bei etwa 52.800 US-Dollar liegen, sagt Statista.

Ein großer Teil des Preises eines Elektrofahrzeugs entfällt auf die Batterie. Könnte eine andere Technologie Preis- und Reichweitenverbesserungen bringen? Stichwort: Festkörperbatterien (SSBs) und ihre Verwandten, Halbfestkörperbatterien (SSSBs).

Eine Lithiumbatterie besteht aus einer Kathode und einer Anode, die durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt sind, der den Durchgang von Elektronen ermöglicht und so die Energieerzeugung für Elektrofahrzeuge ermöglicht. Im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien verwendet ein SSB einen Festelektrolyten, der auch die Rolle eines Separators übernimmt. SSBs bieten eine verbesserte Stabilität bei solider Struktur und deutlich mehr Sicherheit, da sie auch bei Beschädigung ihre Form behalten. SSBs weisen entscheidende Unterschiede zu Li-Ionen-Batterien auf:

Quelle: Flashbattery

Der Lebenszyklus von SSBs ist auch viel länger, wobei einige SSBs laut Topspeed das Potenzial haben, nach 5.000 Zyklen noch 90 % ihrer Kapazität aufrechtzuerhalten (bei herkömmlichem Li-Ion liegt die Lebensdauer zwischen 2.000 und 3.000 Zyklen, bei Lithium-Eisen jedoch). Phosphatbatterien, LiFePO4 oder LFP, bis zu 4.000).

Laut John B. Goodenough, dem Mitentwickler der Li-Ionen-Batterietechnologie, und der Forscherin Maria H. Braga können „Glas-Festkörperbatterien“ durch die Verwendung einer Alkalimetallanode (Lithium, Natrium) die dreifache Energiedichte bieten oder Kalium) und einen längeren Lebenszyklus. Darüber hinaus kann ein SSB mit Glaselektrolyten bei Temperaturen von bis zu -20 °C betrieben werden.

SSBs, die in verschiedenen Geräten wie Smartwatches und Herzschrittmachern eingesetzt werden, erforderten einen gründlichen Prozess, um für die Elektrofahrzeugindustrie einsatzbereit zu sein. SSBs sind für Elektrofahrzeuge von unvermeidlicher Bedeutung und bereit, eine neue Ära in der Branche einzuleiten. Am wichtigsten ist, dass das Aufkommen von SSBs das endgültige Ende der Verbrennungsmotoren (ICEs) einläuten wird, die voraussichtlich nutzlos werden, wenn Li-Ionen- und SSB-Batterien voraussichtlich in den frühen 2030er Jahren weit verbreitet werden.

SSBs werden die Reichweite von Elektrofahrzeugen erheblich erhöhen und im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien eine doppelte Kilometerleistung bei fast der Hälfte des Preises bieten. Da viele OEMs an der Technologie interessiert sind, wird laut Toyota erwartet, dass die durchschnittliche Reichweite eines Elektrofahrzeugs bis zu 1.000–1.200 km beträgt und das Aufladen in nur 10 Minuten möglich sein wird.

Es überrascht nicht, dass fast alle großen Autohersteller an Batterien der neuen Generation interessiert sind und einige bereits intensiv an SSBs arbeiten.

Toyotas SSB-Prototyp. Quelle: Toyota

Neben SSBs wird seit einiger Zeit unter der Leitung von M24 auch die Semi-Solid-State-Batterietechnologie entwickelt. Eine halbfeste Batterie verfügt über eine Elektrode mit und eine ohne flüssigen Elektrolyten. Kleine, stabile und sichere halbfeste Batterien haben außerdem eine höhere Energiedichte und sind günstiger als Li-Ionen-Batterien. Von Drohnen bis hin zu intelligenten tragbaren Geräten bieten Halbfestbatterien ein breites Einsatzspektrum, einschließlich Elektrofahrzeugen.

Im Jahr 2015 kündigte 24M ein neues halbfestes Lithiumbatteriezellendesign an, das die Kosten um etwa 50 % senken würde. Vier Jahre später teilte 24M Dual Electrolyte Tech mit, dass dies eine Verbesserungsebene sei, die zu LFP für Speicher- und NMC-Batterien für Mobilitätsanwendungen hinzugefügt werden soll. Im Jahr 2022 gab 24M an, das Design der Li-Ionen-Batterie vereinfacht zu haben, den Bedarf an inaktiven Materialien um bis zu 80 % zu reduzieren, die Kosten um 40 % zu senken und speziell hergestellte Li-Ionen-Zellen mit einer Energiedichte zwischen 400 und 500 Wh/kg bereitzustellen für die Luftfahrtindustrie. Die Lösung von 24M bezieht sich auf andere Märkte, darunter Elektrofahrzeuge und Energiespeicher.

Quelle: Takomabattery

Quelle: Faktorial

Bild: CATL

Bild: NIO

Der Li-Ionen-Verbrauch bei batteriebetriebenen Fahrzeugen liegt bei über 95 %, und Li-Ionen-Nickel-Kobalt-Mangan-Batterien (NCM) werden aufgrund ihrer ausgewogenen Energiedichte sehr bevorzugt. Bei der aktuellen Verbesserungsrate wird erwartet, dass NCM-Li-Ionen-Batterien auf Zellenebene einen Wert von 100 US-Dollar/kWh erreichen. Mit der Einführung von SSBs könnten die Preise für Elektrofahrzeuge um 25–50 % gesenkt werden, wodurch Elektrofahrzeuge mit großer Reichweite zu einem Preis von etwa 20.000 bis 30.000 US-Dollar angeboten würden.

Laut Research and Markets könnte der kostspielige Entwicklungsprozess bis 2026 zwischen 400 und 800 kWh liegen. Dennoch werden über 60 % der weltweit verkauften Fahrzeuge Elektrofahrzeuge mit stärkeren Batterien und weitverbreiteten Ladenetzen sein, signalisiert die IEA eine solide Akzeptanz für SSBs in den frühen 2030er Jahren. Die größten Hindernisse, die es bei der SSB-Entwicklung zu überwinden gilt, werden mangelnde Stabilität und hoher Oberflächenwiderstand sein.

Das Hauptbild wurde mit freundlicher Genehmigung von Shutterstock, 2192930967, zur Verfügung gestellt.