Neue Batteriekonzepte: die Feststoffbatterie

Die derzeit in Verbraucherelektronik oder in Elektrofahrzeugen verwendeten Batteriekonzepte scheinen langsam aber sicher ihre Kapazitätsgrenzen erreicht zu haben und bieten nur wenig Potenzial für Neuentwicklungen. Doch die nächste Generation der Batterieherstellung steht in Form von Festkörperbatterien bereits in den Startlöchern. Diese Batterien haben das Potenzial, zahlreiche Einschränkungen der gegenwärtigen Batterietechnologie aufzuheben und die mobile Energieversorgung in vielen Bereichen entscheidend voranzubringen.

Ob Unterhaltungselektronik wie Smartphones, Smartwatches und Tablets oder Fahrzeuge wie Elektroautos, E-Bikes oder E-Roller – in fast allen diesen Anwendungen kommen sogenannte Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Sie stellen große Energiemengen in einem verhältnismäßig kleinen Speicher bereit und überstehen viele Ladezyklen ohne erkennbaren Kapazitätsverlust. Angesichts der ständigen Weiterentwicklung und Optimierung der Lithium-Ionen-Technologie stößt dieser Batterietyp allerdings langsam an seine Grenzen. Die hohe Energiedichte und der Betrieb mit flüssigen brennbaren Elektrolyten erfordern aufwendige Kühlungs- und Sicherheitseinrichtungen. Das Entwicklungspotenzial für noch höhere Energiedichten in noch kleineren Formaten scheint ausgereizt. Folglich halten Automobil- und Elektronikhersteller derzeit Ausschau nach neuen Batteriekonzepten.

Eines der vielversprechendsten Batteriekonzepte ist die Feststoffbatterie, auch Festelektrolytbatterie oder Festkörperakkumulator genannt. Weltweit laufen aktuell Studien zu diesem Batterietyp. Die ersten Feststoffbatterien sind bereits verfügbar und zeigen bislang keine schwerwiegenden technischen „Nebenwirkungen“, die einem Erfolg am Massenmarkt entgegenstehen würden.

Der entscheidende Unterschied zur Lithium-Ionen-Batterie ist, dass die Elektrolyte in der Feststoffbatterie fest sind und nicht flüssig. Die Elektrolyte haben die Aufgabe, die Ionen zwischen Kathode und Anode zu leiten. Die gesamte Batterie mit ihren Elektroden und Elektrolyten besteht aus festen Materialien. Als Festelektrolyte kommen Materialien wie Kunststoffpolymere, Glas oder Keramik infrage. Anoden und Kathoden sind über polymerkeramische Verbindungen elektrochemisch mit den Elektrolyten verbunden. Das verbessert den Ladungstransfer und senkt den internen Widerstand der Batterie.

Die Verwendung fester Elektrolyte spart Platz und Gewicht. Dadurch sind weniger Kühlungs- und Sicherheitseinrichtungen erforderlich, sodass Feststoffbatterien insgesamt leichter und kompakter sind und sich einfacher herstellen lassen. Auf gleichem Raum kann viel mehr elektrische Energie gespeichert werden. Die Energiedichte von Feststoffbatterien ist viel höher als die von Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Feststoffbatterien lassen ein sehr dünnes Design zu und sind leicht zu miniaturisieren. Dank der genannten Eigenschaften ist dieser Batterietyp nicht nur für die Automobilindustrie interessant, sondern auch für Hersteller von Verbraucherelektronik und Smart-Geräten. Da keine flüssigen Elektrolyte vorhanden sind, sind Feststoffbatterien feuerfest und schwer entflammbar. Folglich gelten sie als zuverlässiger, langlebiger und sicherer als Lithium-Ionen-Batterien. Weitere Vorteile von Feststoffbatterien sind ihre guten Energiespeichereigenschaften und die geringe Temperaturabhängigkeit der Leistung.

Feststoffbatterien sind derzeit Gegenstand vieler Forschungsprojekte weltweit. Vor allem die Automobilindustrie treibt die Entwicklung von Festkörperbatterien voran. Die Entwicklungslabore konzentrieren sich dabei auf geeignete Materialien und Materialzusammensetzungen für Elektroden und Elektrolyte. Das Ziel ist, die bestmögliche Lösung mit Blick auf Energiedichte, Sicherheit, Leistungsdichte, Lebensdauer und Produktionskosten zu finden. Auch wenn bereits erste Feststoffbatterien erhältlich sind, gehen die meisten Experten und Hersteller davon aus, dass die Technologie erst 2025 Marktreife erlangen wird.
 

Neben Feststoffbatterien werden auch andere Batteriekonzepte entwickelt, wie z. B. Magnesium- oder Lithium-Luft-Batterien. Während bei diesen alternativen Technologien noch manche grundlegende Hürde überwunden werden muss, stehen Feststoffbatterien kurz davor, ihre Massenmarktfähigkeit zu erreichen. Mit ihrem geringen Platzbedarf, der höheren Energiedichte und mehr Sicherheit werden sie neue Maßstäbe für die Energieversorgung von elektronischen Geräten und Elektrofahrzeugen setzen. Das hohe Miniaturisierungspotenzial dieses Batterietyps eröffnet neue Möglichkeiten für elektronische Gadgets und Smart-Geräte wie Smartwatches, Fitness-Tracker, Ohrhörer oder Smartringe.