Feststoffbatterien
Feststoffbatterien bieten hohe Sicherheit, Energiedichte und Lebensdauer – für Elektromobilität, stationäre Netze und grüne Energiesysteme.
Stand:
Technologie-Check
Definition und Wirk-/Funktionsprinzip
Feststoffbatterien oder auch Festkörperbatterien zählen zu den elektrochemischen Energiespeichern. Sie sind eine Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien. Dabei wir der Flüssigelektrolyt gegen einen Feststoff wie Keramik, Polymer oder ein Materialgemisch ausgetauscht. Der Aufbau besteht aus einer Anode, meist lithiumhaltig, einer Kathode, ein Übergangsmetalloxid, dem festen Elektrolyten und einem Stromableiter aus Aluminium oder Kupfer. Der feste Elektrolyt dient dabei sowohl als Ionenleiter, als auch als Separator. Der feste Elektrolyt gewährleistet eine höhere Energiedichte und somit auch eine höhere Effizienz im Vergleich zu konventionellen Batterien.
Feststoffbatterien - Schaubild (Flash Battery (2022). https://www.flashbattery.tech/de/blog/festkoerperbatterien-wie-sie-funktionieren/)
SWOT-Analyse
Welche aktuellen Stärken und Schwächen hat die Technologie? Welche externen Entwicklungen (Chancen, Risiken) beeinflussen die Technologie? Gibt es Normen und Vorgaben?
Stärken
- Festkörperbatterien weisen eine höhere Energiedichte auf als konventionelle Batterien
- Feste Elektrolyte sind nicht brennbar, sodass die Batterien einem höheren Sicherheitsstandard entsprechen
- Der feste Elektrolyt unterbindet gewisse Nebenreaktionen oder auch die Bildung von Dendriten, wodurch die Batterien eine längere Lebensdauer haben
- Die Einsatztemperaturen des festen Elektrolyten sind höher als die der Flüssigelektrolyte
- Allgemein gilt ein geringerer Sicherheits- und Kühlaufwand auf Systemebene
Schwächen
- Die Herstellungskosten liegen aktuell deutlich über den konventionellen Batterien, da energieintensive Prozesse beteiligt sind und die Ausbeuten im Moment noch gering sind
- Im Vergleich zu Flüssigelektrolyten entstehen bei festen Elektrolyten größere Übergangswiderstände zur Elektrode, da die Grenzfläche schlechter ausgebildet ist
- Keramische Elektrolyse haben eine geringe mechanische Belastbarkeit, polymere Elektrolyte dagegen eine geringere Energiedichte
- Festkörperbatterien befinden sich aktuell noch in der Entwicklung, die Skalierung für Großserien und industrielle Anwendungen muss erst noch erfolgen
Chancen
- Elektromobilität ist ein Treiber für die Weiterentwicklung und Skalierung von Festkörperbatterien
- Steigende Sicherheitsanforderungen unterstützen ebenfalls die Verbreitung von Festkörperbatterien
- Festkörperbatterien sind ressourceneffizienter durch die eingesetzten Materialien
- Die neuen Eigenschaften der Festkörperbatterien wie größere Einsatztemperaturen oder mechanische Flexibilität führen zum Einsatz in neuen Anwendungsfeldern
Risiken
- Die Entwicklung und Skalierung hat noch ein paar technische Hürden, die vor einer flächendeckenden Verbreitung gelöst werden müssen
- Konkurrenz zu alternativen Batterietechnologien, die sich ebenfalls weiterentwickeln, wie Lithium-Ionen oder Natrium-Ionen Batterien
- Aktuell geht ein hohes Risiko mit dem Einstieg in diese Technologie einher, da die Marktdurchdringung noch nicht so groß ist
- Die Herstellung ist mit hohem Energieeinsatz verbunden, Ökobilanz ist im Moment noch nicht eindeutig für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Erfolgsbeispiele
- In Baden-Württemberg umgesetzt: Mercedes‑Benz integriert Feststoff‑Batterietechnologie im Elektro‑Gelenkbus eCitaro G, wodurch höhere Energiedichte, geringeres Brandrisiko und längere Lebensdauer gegenüber herkömmlichen Batterien realisiert werden.
Zum Erfolgsbeispiel - In Baden-Württemberg umgesetzt: Mercedes‑Benz testet in einem Prototyp‑EQS mit Festkörperbatterie neue Feststoffbatterietechnologien auf öffentlichen Straßen, um höhere Energiedichte, mehr Reichweite und Verbesserungen bei Sicherheit und Effizienz für künftige Elektrofahrzeuge zu erforschen.
Zum Erfolgsbeispiel - Festkörperbatterien sind noch nicht vollständig am Markt etabliert. Es gibt jedoch einzelne Anwendungen, wo sie bereits eingesetzt werden. Allerdings gibt es noch viel Entwicklungsbedarf, beispielsweise bei den Anodenkonzepten oder der Skalierbarkeit.
Zum Erfolgsbeispiel
Technologieanbieter
Mögliche Technologieanbieter aus Baden-Württemberg: Dr. Fritsch GmbH & Co. KG, VARTA AG
