Solid-State Batterien gelten als der nächste große Schritt in der Entwicklung von Batterien. Erste Konzepte zu Zellen mit festem Elektrolyten stammen aus den Siebzigern und dennoch gibt es heutzutage noch keine Serienfertigung der Zellen. In diesem Artikel wird ein Überblick über den aktuellen Stand von Solid-State-Batterien gegeben.
Eine Solid-State-Batterie ist grundsätzlich ein Konzept, in welchem das Elektrolyt einer Zelle aus einem Material im festen Aggregatszustand besteht. Damit unterscheidet sich die Solid-State-Batterie von heutigen Li-Ionen-Batterien, da diese in der Regel ein flüssiges oder gelartiges Elektrolyt besitzen. Der sonstige Aufbau einer Solid-State-Batterie unterscheidet sich ansonsten nicht zwangsläufig von einer Lithium-Ionen-Batterie:
Die Solid-State Batterie besteht aus einer Kathode, einer Anode, zwei Stromkollektoren und dem Festkörperelektrolyten. In Abbildung 1 ist der allgemeine Aufbau einer Solid-State-Batterie dargestellt.
Abbildung 1: Allgemeiner Aufbau einer Solid-State-Batterie, Eigene Darstellung
Für die Kathode kann dabei grundsätzlich das gleiche Material wie für Li-Ionen verwendet werden (z.B. NMC Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid). Als Elektrolyt gibt es diverse Varianten, die sich im Wesentlichen in Oxide, Sulfide und Polymere unterscheiden (Mehr Infos zu den Elektrolyten gibt es hier analysiert).
Als Anodenmaterial wird gerne Li-Metall verwendet. Dieses Material ist für Li-Ionen-Batterien nur schwer möglich, weil es mit dem flüssigen Elektrolyten chemische Bindungen eingeht. Li-Metall hat eine wesentlich höhere Energiedichte als heutige Anoden, weswegen erwartet wird, dass die Energiedichte erheblich zunehmen wird. Mehr Information zum allgemeinen Aufbau und den einzelnen Komponenten gibt es hier analysiert.
Lade- und Entladevorgang einer Solid-State-Batterie
Figure 2: Charging and discharging process of a solid-state battery (a). Charging (b) Discharging, Own illustration
Der Ladevorgang einer Solid-State-Batterie funktioniert im Wesentlichen wie bei einer Lithium-Ionen-Batterie. In Abbildung 2 ist dargestellt, wie der Lade- und Entladevorgang in einer Batterie abläuft. Um eine Batterie zu laden, wird eine Spannung an die Zelle angelegt. Dieses Potential führt dazu, dass Elektronen über den Leiter und die Spannungsquelle zur Anode wandern. Die Li+ Ionen wandern durch den festen Elektrolyt auf die Anodenseite und lagern sich dort als metallisches Lithium ab. Das Ablagern führt dazu, dass das Volumen der Anode wächst. Dieses Volumenwachstum ist noch einer der Herausforderungen, die für die Kommerzialisierung von Solid-State-Batterien gelöst werden muss, weil es zu großen mechanischen Belastungen innerhalb der Zelle führt.
Beim Entladen kehrt sich der Prozess um. Elektronen wandern über eine angeschlossene externe Last zurück in die Kathode und auch die Ionen wandern über den Elektrolyten zurück. Das Volumen der Anode schrumpft dadurch wieder zu seiner ursprünglichen Größe zurück.
Vorteile und Herausforderungen von Solid-State-Batterien
Der Solid-State-Batterie wird ein großes Potential nachgesagt, der heutigen Li-Ionen-Batterie überlegen zu sein. Es zeichnet sich ab, dass sich die Energiedichte der Solid-State-Batterien deutlich erhöhen wird. Dies ist insbesondere mit dem Umstieg auf Li-Metall als Anodenmaterial begründet. In der Praxis werden Energiedichten erwartet, die doppelt so hoch wie bei heutigen Li-Ionen-Batterien liegen. Ob auch eine Leistungssteigerung erreicht werden kann, ist heute noch nicht klar auszumachen. Mehr Informationen zu der Energie- und Leistungsdichte von Solid-State-Batterien finden sich hier analysiert.
Ein ebenfalls häufig genannter Vorteil von Solid-State-Batterien ist die intrinsische Sicherheit der Solid-State-Batterien. Da keine (brennbaren) flüssigen Elektrolyten verbaut sind, soll die Batterie sicher sein. Dies stimmt allerdings nur eingeschränkt. Zwar ist ein Elektrolytbrand mit festem Elektrolyt nahezu ausgeschlossen, dafür gibt es andere Gefahren, wie das Ausbilden von Dendriten mit daraus resultierenden Kurzschlüssen. Eine genaue Analyse der möglichen Schadensreaktionen der Solid-State-Batterie findet sich hier analysiert.
Langfristig sollen Solid-State-Batterien auch günstiger in der Herstellung sein. Aufgrund der höheren Energiedichte sind weniger Zellen für die selbe Kapazität nötig und durch teilweise Verbesserungen der Sicherheit könnten eventuell kostenintensive Sicherheitsmaßnahmen reduziert werden. Mehr Informationen zu Kosten finden sich hier analysiert.
Kommerzialisierungsansätze
Es ist bekannt, dass praktisch alle großen Autohersteller an der Kommerzialisierung von Solid-State-Batterien arbeiten. Dabei arbeiten die Firmen in der Regel mit diversen Start-Ups die im Umfeld der Solid-State-Batterie-Entwicklung gegründet wurden zusammen [1]. Die vorgestellten Konzepte unterscheiden sich dabei erheblich und reichen von Systemen mit Li-Anoden [2] über Grafit- bis hin zu Siliziumanoden [3]. Bei den Elektrolyten finden sich sowohl Oxid-, Sulfid, als auch Polymervarianten, wobei die Polymervarianten aufgrund der einfachen Fertigung am häufigsten zu finden sind [4]. Als Kathodenmaterial werden in der Regel Hochenergiekathoden wie NMC bevorzugt, es gibt aber auch Konzepte die mit LFP-Zellen arbeiten [5].
Bis zur (Groß-)Serienreife der Solid-State-Batterien wird es noch einige Jahre brauchen. Es deutet sich außerdem an, dass Hybridsysteme, die einen festen Elektrolyten und eine zusätzliche kleine Menge flüssiges Elektrolyt aufweisen, bereits in den nächsten Jahren die Serienreife erreichen könnten [6]. Klassische Solid-State-Batterien werden nicht vor 2025 erwartet. Ein breiter Markteintritt ist indes erst in der zweiten Hälfte der zwanziger Jahre zu erreichen.
Quellen
[1] IDTEchEx, Xiaoxi He: Solid State Batteries for EV Applications, June 2022, Conference Battery Show Stuttgart
[2] Quantumscape: Delivering on the promise of solid-state technology, 2023, https://www.quantumscape.com/technology
[3] SolidPower: All-Solid-State Battery Cell Technology, 2023, All-Solid-State Batteries – Solid Power (solidpowerbattery.com).
[4] Mercedes Benz: eCitaro, Battery Technology, 2023, https://www.mercedes-benz-bus.com/de_DE/models/ecitaro/technology/battery-technology.html
[5] Blue-Solutions: Battery Technology, 2023, Blue Solutions – Battery technology (blue-solutions.com)
[6] Wood Mackenzie: Will semi-solid battery technology render solid-state batteries redundant?, https://www.woodmac.com/news/opinion/will-semi-solid-battery-technology-render-solid-state-batteries-redundant/
