Batterie Lithium-Ionen-Batterie versus Feststoffbatterie

Bei wiederaufladbaren Batterien ist die Lithium-Ionen-Technologie (Li-Ion) derzeit Standard. Große Hoffnungen ruhen indes auf der Feststoffbatterie, insbesondere hinsichtlich der Elektromobilität: Sie sollen leistungsfähiger sein, haltbarer und sicherer. Ist die mit ihnen verbundene Euphorie gerechtfertigt? Ein Vergleich.

Ob Laptops, Smartphones oder E-Autos, Li-Ion-Batterien sind heutzutage am weitesten verbreitet. Der Hauptunterschied zu Feststoffbatterien besteht im Elektrolyten. Während Li-Ion-Batterien einen flüssigen oder gelartigen Elektrolyten haben, ist dieser bei Feststoffbatterien aus keramischen, polymerbasierten oder glasartigen Materialien, also festen Werkstoffen. Was das für die Leistung, Lebensdauer und auch Sicherheit bedeutet, wird noch verdeutlicht.

Aus welchen Komponenten setzen sich Li-Ion- und Feststoffbatterien zusammen?

Eine Li-Ion-Batterie hat im Wesentlichen folgende Komponenten:

• eine Kathode (Lithium-Metalloxid),

• eine Anode (meist Grafit, das auf einem Kupferstromableiter aufgebracht ist),

• dem Elektrolyten (ein wasserfreies, ionenleitendes Medium),

• dem Separator (eine mikroporöse Membran oder Polymerfolie), der sich zwischen Anode und Kathode befindet und Kurzschlüsse verhindert,

• den Stromableitern für den elektrischen Kontakt (meist Aluminium bei Kathoden und Kupfer bei Anoden)

In Batteriepaketen sorgt zudem ein Batteriemanagementsystem (BMS) für Überwachung, Schutz und Balancierung der Zellen.

Antriebstechnik

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Der Aufbau einer Feststoffbatterie ist ähnlich:

• eine Kathode aus vergleichbaren Materialien wie bei der Li-Ion-Batterie

• eine Anode aus metallischem Lithium, manchmal auch Silizium oder sogar Silber

• ein Elektrolyt, eine dünnen festen Schicht, die gleichzeitig als Separator dient – der entscheidende Unterschied

• die Stromableiter, die wie bei klassischen Li-Ion-Batterien Aluminium (Kathode) und Kupfer (Anode) verwenden.¹

Welche Li-Ionen- und Feststoffbatterien gibt es?

Li-Ion-Batterien und Feststoffbatterien gibt es in verschiedenen Typen, die sich durch ihre chemische Zusammensetzung, Leistungsmerkmale und Anwendungsgebiete unterscheiden, wie die nachfolgenden Tabellen zusammenfassen ²:

Definition

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Was macht die Feststoffbatterie so attraktiv?

Im direkten Vergleich schneidet die Feststoffbatterie nahezu durchweg besser ab als die Li-Ion-Batterie, das betrifft Aspekte wie die Energiedichte, die Lebensdauer und Zykluszeiten, die Ladezeiten und Schnellladefähigkeit, die Sicherheit und die Umweltbilanz. Was den Temperaturbereich und die Kosten sowie Skalierbarkeit anbelangt, sind jedoch noch Fragen offen.

Feststoffbatterien verfügen über eine deutlich höhere Energiedichte als Li-Ion-Batterien, was potenziell größere Reichweiten pro Ladung bei Elektrofahrzeugen bedeuten könnte. Haben Li-Ion-Batterien eine typische Energiedichte von etwa 150 bis 250 Wh/kg (Wattstunden pro Kilogramm), sind Feststoffbatterien in der Lage, Energiedichten von bis zu 350 Wh/kg zu erreichen. Die volumetrische Energiedichte, also die Energie, die pro Volumen gespeichert werden kann, liegt bei Li-Ion-Batterien bei zirka 250 bis 700 Wh/l (Wattstunden pro Liter), bei Feststoffzellen kann sie sich im Bereich von 500 bis zukünftig 1000 Wh/l bewegen. ³

Eine Li-Ion-Batterie hält rund 3.000 Ladezyklen stand, bis ihre Kapazität auf schätzungsweise 80 Prozent absinkt. Forschungen bei Feststoffzellen zeigen, dass diese bis zu 100.000 Ladezyklen erreichen könnten, jedoch sind das häufig noch theoretische Werte. Allerdings verhindert die chemische Struktur der festen Elektrolyten bei Feststoffbatterien typische Alterungserscheinungen wie ein Elektrolytabbau oder eine Dendritenbildung (baumartig verzweigte Ablagerungen, die sich an den Elektrodenoberflächen von Li-Ion-Batterien bilden können). ⁴

– Ladezeiten und Schnellladefähigkeit

Auch bei den Ladezeiten und der Schnellladefähigkeit, die vor allem bei E-Fahrzeugen entscheidend ist, gibt es deutliche Unterschiede:

• Durchschnittliche Ladezeiten liegen bei Li-Ion-Batterien für eine Ladung von 80 Prozent bei zirka 20 bis 60 Minuten. Wird langsamer geladen, kann sich die Zeit auf bis zu 12 Stunden verlängern. Die Wärmeentwicklung und die Elektrolyt- sowie Zellchemie setzt dem Schnellladen hier Grenzen.

• Dank der festen Elektrolyten lassen sich Feststoffbatterien schneller laden. Tests mit Prototypen und Forschungen zeigen Ladezeiten von lediglich 10 bis 15 Minuten für eine Ladung bis 80 Prozent. Aufgrund der höheren thermischen Stabilität und besseren Strombelastbarkeit sind höhere Stromstärken beim Laden ohne Zellschäden oder Überhitzung möglich. ⁵

– Temperaturbereiche

Der Betriebstemperaturbereich von Li-Ion-Batterien liegt meist zwischen etwa -20 °C und 55 °C für Entladung und um 0 °C bis 55 °C für das Laden. Unter 0 °C sinkt die Leistung der Batterien immens. Bei noch niedrigeren Lade-Temperaturen kann es zu Schäden kommen.

Hohe Temperaturen über 55 °C beschleunigen wiederum den Alterungsprozess und erhöhen die Risiken für thermisches Durchgehen (Thermal Runaway).

Feststoffbatterien haben eine höhere thermische Stabilität und tolerieren höhere Temperaturen sicherer. Ein derzeitiger Nachteil ist, dass viele Festelektrolyte erst bei höheren Temperaturen von mehr als 50 °C über eine gute ionische Leitfähigkeit verfügen, wodurch die Leistung bei niedrigen Temperaturen stark sinkt. Die Forschung konzentriert sich darauf, Feststoffbatterien bei Raumtemperatur zuverlässig und leistungsfähig zu machen. ⁶

– Sicherheit und Umweltbilanz

In der letzten Zeit gab es immer wieder Berichte, dass in nicht auf das Batterierecycling spezialisierten Entsorgungsbetrieben Li-Ion-Batterien in Brand gerieten und große Schäden anrichteten.

Das Batteriekonzept hat einen großen Einfluss auf die Brandgefahr und Stabilität im Betrieb. Die flüssigen, organischen Elektrolyten in Li-Ion-Batterien sind leicht entzündlich und bergen somit eine hohe Brand- oder Explosionsgefahr bei mechanischer Beschädigung oder Kurzschluss. Das unkontrollierte Überhitzen und Abbrennen der Batterien (Thermal Runaway) ist in diesem Zusammenhang eine typische Gefahr.

Die festen, nicht brennbaren Elektrolyten von Feststoffbatterien sind dagegen praktisch nicht entzündlich und verhindern Schlimmeres bei Kurzschlüssen oder mechanischen Schäden.

Thermal Runaway und Brandrisiken können somit durch den Festelektrolyten beinahe vollständig vermieden werden. Da auch der Separator, wie weiter oben beschrieben, bei Feststoffbatterien aus festem Material besteht, werden Kurzschlüsse erschwert. ⁷

Was die Umweltbilanz anbelangt, so wird für die Herstellung von Feststoffbatterien zwar rund 35 Prozent mehr Lithium benötigt als bei Li-Ion-Batterien. Dafür ist aber deutlich weniger Kobalt und Grafit erforderlich, wodurch die Umweltbelastungen durch Schwermetallabbau und giftige Stoffe abnehmen. Weil Feststoffbatterien eine längere Lebensdauer haben, wird ihre Umweltbilanz im Vergleich zu Li-Ion-Batterien verbessert.

Recyclingprozesse bei Li-Ion-Batterien sind etabliert, aber die Batterien benötigen kritische Rohstoffe wie Kobalt, Grafit und Nickel und Lithium. Feststoffbatterien bieten die Chancen zu effizientere und umweltfreundlichere Recyclingmethoden. Eine entsprechende Struktur muss aber zunächst aufgebaut werden. ⁸

– Kosten

Die Kosten liegen bei Feststoffbatterien momentan noch höher als bei Li-Ion-Batterien. Mit der voranschreitenden Entwicklung werden sich jedoch Skaleneffekte bei der Herstellung einstellen, wobei dann die Kosten deutlich sinken sollten. Viele Experten schätzen in diesem Zusammenhang die Kostenentwicklung im Fertigungsprozess als zunehmend positiv ein, obgleich sich die Technologie noch in der Kommerzialisierungsphase befindet und die Materialverfügbarkeit und Rohstoffabhängigkeit von Ländern wie etwa Australien, Chile und China nach wie vor relevante Themen sind. ⁹

In der nachfolgenden Tabelle sind nochmals die wichtigsten Aspekte im Vergleich aufgeführt.

Fußnoten

Quellen

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