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Feststoffbatterien: Diese Vorteile haben die Super-Akkus für E-Autos

Schnellere Ladezeiten, höhere Energiedichte, mehr Leistung: Feststoffbatterien, Sald- und LFP-Batterien gelten als Schlüsseltechnologie für die Zukunft der E-Mobilität. Erfahren Sie hier mehr zur neuen Generation der Batterietechnologie und ihren Vorteilen.

^{Zuletzt aktualisiert am 21.8.2024

Lesedauer: 8 Minuten}

Inhaltsverzeichnis

Feststoffbatterien: Schneller laden, weiter fahren, sicherer unterwegs
Was sind Feststoffbatterien?
Vorteile der Feststoffbatterie
Wann ist die Feststoffbatterie marktreif?
Alternative Batteriekonzept zur Lithium-Ionen-Batterie
Sald-Akkus: Die nächste Stufe der Lithium-Ionen-Batterie
Fortschritte beim Lithium-Ionen-Akku
LFP-Akkus jetzt schon im Einsatz
Batterie-Konzepte in der Forschung
Vattenfall Fazit

Schneller laden, weiter fahren, sicherer unterwegs

Lithium-Ionen-Akkus sind leistungsstarke Antriebe, die E-Autos schon heute alltagstauglich und zu einer attraktiven Alternative zum Verbrenner machen. In Zukunft könnten sie jedoch von der Feststoffbatterie abgelöst werden. Feststoffbatterien sollen schnelle Ladevorgänge in wenigen Minuten sowie Reichweiten von weit über 1.000 Kilometer pro Ladung ermöglichen. Gleichzeitig werden sie langlebiger, zuverlässiger und noch sicherer als die herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien sein.

Was sind Feststoffbatterien?

Mit der Feststoffbatterie befindet sich eine innovative und vielversprechende Batterietechnologie in der Entwicklungsphase. Sie kann in naher Zukunft die Lithium-Ionen-Batterie ablösen. Feststoffbatterien sind mit anorganischen, festen (keramischen) Elektrolyten ausgestattet. Sie ersetzen die in Lithium-Ionen-Batterien vorhandenen flüssigen und organischen Elektrolyte.

Feststoffbatterien Nahaufnahme Wallbox

Dieser Wechsel wirkt sich äußerst positiv auf Stabilität und Lebensdauer der neuen Akkus aus. In der Feststoffbatterie sind die festen Elektrolyte in dünnen Schichten übereinander angeordnet. Ein Pluspunkt beim Thema Sicherheit: Die Ionenleiter sind um einiges schwerer entflammbar als in Lithium-Ionen-Akkus. Andere Bezeichnungen für die Feststoffbatterie sind Festkörperakkumulator, Festkörperbatterie oder SSLB (engl.: solid-state lithium-ion battery). Eine vorläufige Analyse des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung, die Ende 2023 veröffentlicht wurde, sieht für Feststoffbatterien praktische Einsatzmöglichkeiten bis zum Jahr 2030. In Elektrobussen kommen Polymer-SSBs bereits heute zum Einsatz. Sulfid-SSBs stehen kurz vor Einführung im Privatkundenbereich und werden in den kommenden fünf Jahren auch in E-Autos verbaut.

Vorteile der Feststoffbatterie

Längere Lebensdauer

Feststoffbatterien besitzen eine wesentlich längere Lebensdauer als Lithium-Ionen-Batterien. Diese erreicht aktuell nur bis zu maximal 3.000 Ladezyklen, Feststoffbatterien hingegen sollen nach aktuellem Stand der Forschung bis zu 100.000 Ladezyklen schaffen.

Mehr Sicherheit

Die Leitfähigkeit der festen Ionenleiter steigt mit der Temperatur, im Fachjargon heißt dies: Heißleiter. Diese Eigenschaft garantiert, dass sich eine Festkörperbatterie nicht selbst überhitzt. So wird ein “Thermal Runaway” vermieden, eine Überhitzung des Systems, die eine Batterie komplett zerstören kann.
Weiterer Vorteil: Es ist nahezu unmöglich, ein Festelektrolyt in Brand zu setzen. Deshalb geht von Feststoffbatterien im Falle einer Kollision keine Brandgefahr aus.

Feststoffbatterien sind langlebiger

Weil sich das keramische Elektrolyt nicht zersetzt, punktet die Feststoffbatterie auch in Sachen Langlebigkeit gegenüber Lithium-Ionen-Batterien. Da alle Bestandteile aus festen Materialien bestehen, kann diese dünne keramische Schicht, die auch als Separator fungiert, gefährliche Kurzschlüsse verhindern.

Bessere Umweltbilanz

Die Gesamtumweltbilanz von Feststoffbatterien soll gegenüber Lithium-Ionen-Akkus um bis zu 50 Prozent besser sein – unter anderem weil kein Kobalt verwendet wird. Denn beim Abbau des Schwermetalls Kobalt können andere, giftige Stoffe freigesetzt werden, die dann ins Grundwasser gelangen und es verunreinigen. Außerdem sind die Feststoff-Dünnschicht-Batterien um einiges kleiner und kompakter als das Lithium-Ionen-Pendant. Ein weiterer Pluspunkt in Sachen Nachhaltigkeit: Feststoffbatterien kommen aller Wahrscheinlichkeit nach ohne Graphit aus.

Wann ist die Feststoffbatterie marktreif?

Die Forschung an der Feststoffbatterie läuft auf Hochtouren, viele Unternehmen engagieren sich und auch Automobilhersteller begleiten diese Entwicklung aus nächster Nähe.

Eine von VW gemeinsam mit dem amerikanischen Partner QuantumScape entwickelte Feststoffzellenbatterie durchlief in einem ersten Langzeittest mehr als 1.000 Ladezyklen – das entspricht einer Gesamtreichweite von 500.000 Kilometern. Dabei verlor sie nur fünf Prozent ihrer Kapazität. Verlaufen weitere Tests positiv, könnte die neuartige Batterie um 2030 in den ersten Modellen des VW-Konzerns verbaut werden. Sie soll 30 Prozent mehr Reichweite bieten als Lithium-Ionen-Akkus und doppelt so schnell laden.

BMW und Ford haben sich mit dem Spezialisten Solid Power zusammengetan. Das Unternehmen hat 2023 erste Zellen für Qualifikationstests an BMW geliefert. Eine Serienproduktion der Zellen ist für 2026 geplant.

Auch Toyota hat ambitionierte Ziele für einen neuen Feststoffakku. Bis 2028 könnte die noch streng geheime Technologie des japanischen Herstellers serienreif sein. Die neue Batterie soll laut Konzernangaben im April 2024 eine Reichweite von 1.200 Kilometer erzielen – bei einer Ladezeit von gerade mal zehn Minuten.

Der chinesische Hersteller Nio arbeitet zusammen mit anderen Partnern ebenfalls an Varianten einer Feststoff-Batterie. Die Sensation: Seit kurzem ist das Oberklasse-Elektroauto ET7 schon mit einer Halb-Feststoff-Batterie verfügbar – allerdings vorerst nur für den chinesischen Markt. In den sogenannten Semi-Solid-State-Zellen ist eine der beiden Kathoden in einem festen Elektrolyt, die andere in einem flüssigen eingebettet. Somit wird sowohl konventionelle Lithium-Ionen- als auch zukunftsträchtige Feststoffakku-Technik verwendet.

So vielversprechend diese Ansätze für die Feststoffbatterie auch sind – E-Auto-Fahrer:innen müssen sich noch etwas in Geduld üben. Bei aktuellen Tests kommen Forschende schon auf zirka 6.000 Ladezyklen ohne Beeinträchtigung der Ladekapazität. Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien erreichen nur etwa 3.000. Die Verdopplung der Kapazität ist ein großer Fortschritt, angepeilt sind aber 100.000 Zyklen. Dieses Ziel liegt noch in weiter Ferne.

Feststoffbatterie VW e-Golf an Ladestation angeschlossen Seitenansicht

Alternative Batteriekonzepte zur Lithium-Ionen- und Feststoffbatterie

Neben der Feststoffbatterie gibt es noch weitere vielversprechende Batterietechnologien, die aktuell erprobt werden. Vor allem in China, USA und Japan wird umfangreich an Akku-Technologien geforscht, die in wenigen Jahren zur Marktreife kommen könnten oder bereits getestet werden.

Feststoffbatterie e-tron an Ladestation angeschlossen Seitenansicht

Sald-Akkus: Die nächste Stufe der Lithium-Ionen-Batterie

Feststoffbatterien sind zwar die große Hoffnung, doch das Potenzial der Lithium-Ionen-Batterie ist noch längst nicht ausgeschöpft. Das beweist aktuell die Sald-Batterie, eine Weiterentwicklung der klassischen E-Auto-Akkus.

Sald ist ein Akronym und steht für „Spatial Atom Layer Deposition“. Bei der Sald-Technologie ist es dem niederländischen Forschungsinstitut „The Netherlands Organisation“ zusammen mit dem deutschen Fraunhofer-Instituts gelungen, eine extrem dünne Atombeschichtung um die Zellen zu entwickeln. Sie verbessert den Ionen-Fluss zwischen Anode und Kathode und sorgt so für kürzere Ladezeiten, mehr Langlebigkeit und höhere Reichweite. Zudem benötigt das Sald-Verfahren weniger Material zur Akku-Herstellung, wodurch Rohstoffe gespart werden – ein großer Schritt in Richtung nachhaltiger Produktion.

Fortschritte bei Natrium-Ionen-Akkus

Fortschritte sind auch in der Entwicklung der Natrium-Ionen-Akkus zu vermelden: Der schwedische Batteriehersteller Northvolt konnte die Energiedichte auf 160 Wattstunden pro Kilogramm erhöhen. Das entspricht etwa dem Niveau von aktuellen Lithium-Eisenphosphat-Akkus. Weitere Vorteile: Nickel und Kobalt werden in diesem Batterietypus nicht verbaut. Er ist zudem robuster bei niedrigen Außentemperaturen und beim Schnellladen. In China ist die erste Großserie an Fahrzeugen, die mit diesen Akkus ausgestattet sind, schon auf den Straßen unterwegs. Die Batterien des E-Kleinwagen JAC Yiwei EV haben eine Kapazität von 25 kWh, eine Energiedichte von 120 Wh/kg, eine schnelle Aufladegeschwindigkeit (von 10 Prozent auf 80 Prozent in 20 Minuten) und eine Reichweite von 252 Kilometern.

LFP-Akkus jetzt schon im Einsatz

Schon vor einem Jahr hat der in China ansässige weltgrößte Batteriehersteller CATL einen Lithium-Eisenphoshat-Akku (chemisch: LiFePO4 oder LFP) namens Shenxing vorgestellt. Im April 2024 legte CATL nach und stellte mit der Shenxing Plus die nächste Generation der LFP-Batterie vor. Deren Reichweite soll 1.000 Kilometer betragen und lädt in zehn Minuten Energie für 600 Kilometer Fahrt. Bis Ende 2024 sollen 50 Fahrzeuge damit ausgestattet sein. Sie kommen vorerst in den chinesischen Marken Avatr und Neta zum Einsatz.

Batterie-Konzepte in der Forschung

Wissenschaftler:innen der Sogang Universität in Seoul ist es vor kurzem gelungen, die Grundlage für eine Lithium-Polymer-Batterie zu entwickeln. Deren Kapazität wäre, so die Forschenden, um das Zehnfache größer als alles, was heute auf dem Markt ist. Der Clou dabei ist eine Anode aus Silizium in Kombination mit einem neuartigen Elektrolyt.

Ähnliches verkündet auch das britische Start-up Nyobolt, das mit Anoden aus Niob und Wolfram arbeitet. Deren Batterie soll in der Lage sein, in nur sechs Minuten Strom für 250 Kilometer aufzunehmen.

Vom Massachusetts Institute of Technology wurde im Herbst 2022 eine Batterie ohne Lithium vorgestellt. Sie verwendet Aluminium, Schwefel und Salz zur Speicherung von elektrischer Energie. Damit wäre sie in der Herstellung deutlich günstiger als Lithium-Ionen-Akkus. Und die Forschungen am MIT laufen weiter. Erst im April 2024 hat das Institut ein revolutionäres Kathodensystem vorgestellt, dessen Wirkungsgrad weit über allen bisherigen Technologien liegt.

Mit diesen neuen Super-Akkus würde das Laden von Elektroautos unterwegs künftig kaum länger dauern als das Tanken eines Verbrenners. Zudem würden die neuen Batterien für mehr Flexibilität beim Laden zu Hause sorgen. Wer zudem seinen Akku mit Strom aus der eigenen Photovoltaikanlage lädt, könnte das gezielt mittags tun, wenn die Stromausbeute besonders hoch ist.

Vattenfall Fazit

Mit Feststoffbatterien und weiteren neuen Batterietechnologien fährt die Elektromobilität in eine spannende Zukunft. Es sollen Reichweiten von mehr als 1.000 Kilometern möglich sein, bei denen sogar Autos mit herkömmlichen Antrieben nicht mehr mitkommen. Zudem sind Feststoffbatterien leicht, punkten mit sehr kurzen Ladezeiten, besitzen eine höhere Speicherdichte und sind umweltfreundlicher. Mit dieser Innovationskraft wird E-Mobilität mit Sicherheit künftig für noch mehr Begeisterung sorgen.