Festkörperbatterie: Die Akkus der Zukunft?

Festkörperbatterien sollen viel leistungsstärker und sicherer als herkömmliche Batterien sein. Damit sind sie Hoffnungsträger vieler Autohersteller. Doch ein grundsätzliches Problem bleibt: Bisherige Festkörperbatterien enthalten meistens Lithium.

Elektroautos gelten vielen als Fortbewegungsmittel der Zukunft. Doch sie haben ein entscheidendes Problem: Ihre Batterien sind bisher alles andere als nachhaltig. Etwa ein Drittel der Umweltbelastung von Elektroautos entsteht durch die Batterie. Wie das zustande kommt, kannst du hier nachlesen: Ökobilanz von Elektroautos: Wie nachhaltig sind E-Autos wirklich? Dementsprechend groß ist das Interesse von Forschern und Autoherstellern, die Batterietechnologie zu verbessern. Ein Hoffnungsträger ist die Festkörperbatterie. Wir erklären dir, wie sie sich von herkömmlichen Batterien unterscheidet, welche Vorteile sie hat und wo noch Verbesserungsbedarf besteht.

Festkörperbatterie: Der Elektrolyt macht den Unterschied

Batterien sind immer nach dem gleichen Grundprinzip aufgebaut:

• Sie haben einen Plus- und einen Minuspol. Diese erkennst du an den entsprechenden Zeichen auf der Batterie. An beiden Polen ist eine sogenannte „Elektrode“, die meistens aus Metall oder einer Metallverbindung besteht.
• Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein sogenannter Elektrolyt, also ein Material, das geladene Teilchen (Ionen) leitet.
• Wenn du die Batterie an einen Stromkreis anschließt, laufen im Inneren der Batterie positiv geladene Ionen durch den Elektrolyten von einer Elektrode zur anderen. Durch den Stromkreis laufen entsprechend negativ geladene Elektronen. Sie sorgen dafür, dass Lampen leuchten und Handys laden.

In herkömmlichen Batterien ist der Elektrolyt flüssig, in einer Festkörperbatterie dagegen ist es fest – daher der Name.

Festkörperbatterien sind sicherer und leistungsstärker

Das Forschungszentrum Jülich forscht aktuell an Festkörperbatterien. Weshalb gelten sie als vielversprechend?

• Flüssige Elektrolyte sind meistens sehr giftig und leicht brennbar. Wenn Batterien auslaufen, ist das also sehr gefährlich. Dieses Problem besteht bei Festkörperbatterien nicht.
• Festkörperbatterien sollen sehr langlebig sein.
• Festkörperbatterien funktionieren über eine relativ große Temperaturspanne. Sie müssen deshalb im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien nicht gekühlt werden. In einem Elektroauto könnte man auf diese Weise Gewicht einsparen und so den Verbrauch senken.
• Eine wichtige Kenngröße einer Batterie ist ihre „Energiedichte“ – also wie viel Energie die Batterie auf wie viel Masse beziehungsweise Volumen speichern kann. Bei einem Elektroauto beispielsweise bedeutet eine hohe Energiedichte mehr Reichweite. Bei Festkörperbatterien soll theoretisch eine sehr hohe Energiedichte möglich sein. Die Technische Hochschule in Zürich (ETH) erklärt, woran das liegt. Das Elektrodenmaterial, das die größte Energiedichte ermöglicht, ist Lithium. Reines Lithium ist jedoch extrem reaktiv und kann in einer normalen Batterie mit flüssigem Elektrolyten mit diesem reagieren und lange Auswüchse bilden. Erreichen diese die gegenüberliegende Elektrode, gibt es einen Kurzschluss. Feste Elektrolyten können jedoch so designt werden, dass das nicht passiert. Deshalb sind in Festkörperbatterien Elektroden aus reinem Lithium möglich.

Festkörperbatterie: Der Stand der Forschung

Ein großes Problem bei Festkörperbatterien sei bisher ihre geringe Leistung, berichtet Springer Professional. Sie können zwar viel Energie speichern, aber die Ladungsträger können sich nicht so schnell bewegen. Im Umkehrschluss bedeutet das: Festkörperakkus brauchen relativ lange, um aufzuladen. Bisher schaffen Forscher es offenbar nur, Festkörperbatterien herzustellen, die entweder eine hohe Energiedichte oder eine kurze Aufladezeit haben – aber nicht beides gleichzeitig.

Springer zufolge sind Festkörperbatterien noch nicht reif für die Massenproduktion, aber viele Autohersteller zeigen großes Interesse und steigen ebenfalls in die Forschung ein. Ab 2025 sollen die ersten Festkörperbatterien auf den Markt kommen – allerdings noch nicht für Autos.

Knackpunkt Lithium: Weshalb Festkörperbatterien auch nicht perfekt sind

Festkörperbatterien haben ein weiteres Problem: Die höchste Energiedichte erreichen sie wie oben beschrieben mit Elektroden aus reinem Lithium. Dementsprechend ist Lithium oft das Material der Wahl in der Forschung, auch wenn es der ETH zufolge ebenfalls Versuche mit Natrium und Magnesium gibt.

Warum ist Lithium problematisch?

• Es steht nur begrenzt zur Verfügung.
• Der Abbau verbraucht sehr viel Wasser und belastet die Umwelt.
• Die Arbeitsbedingungen in den Minen sind oft sehr schlecht.
• Reines Lithium lässt sich (weil es so gerne mit anderen Materialien reagiert) nur sehr schwer recyceln.

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Deshalb sind Festkörperbatterien vermutlich eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Batterien – aber richtig gut wird ihre Ökobilanz auch nicht sein. Sie werden wohl nichts an der Tatsache ändern, dass wir nicht einfach alle Benzin- und Dieselfahrzeuge durch Elektroautos ersetzen können. Stattdessen muss vor allem die Anzahl von Fahrzeugen auf unseren Straßen kleiner werden. Neue Batterien sind wichtig, aber noch wichtiger ist es, den öffentlichen Nahverkehr und das Fahrradfahren viel attraktiver zu machen. Und: Klimafreundlich werden Batterien erst, wenn sie voll und ganz mit Ökostrom laufen.

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