Festkörperbatterien (SSBs) sind in zahlreichen Ländern und Regionen von strategischer Bedeutung. Deutschland beispielsweise hat eine Milliarde Euro zur Förderung eines Konsortiums bereitgestellt, das Batteriezellen für Elektrofahrzeuge entwickeln soll, und plant die Finanzierung eines Forschungszentrums zur Entwicklung von Festkörperbatterien der nächsten Generation. In Großbritannien entwickelt das 30-monatige Kooperationsprojekt „PowerDrive Line“ eine Lithium-basierte Festkörperbatterie für Elektrofahrzeuge (EVs) und Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs) und errichtet eine Vorpilotlinie für diese SSB-Zelltechnologie. Die japanische Regierung hat das Konsortium für Lithium-Ionen-Batterietechnologie und Evaluierungszentrum (Libtec) gegründet, um die Forschung an Festkörperbatterien zu intensivieren. In Südkorea fördern die drei größten Batteriehersteller – SK Innovation, LG Chem und Samsung SDI – gemeinsame Forschungsprojekte im Bereich der Batterien der nächsten Generation, darunter auch Festkörperbatterien. US-amerikanische SSB-Unternehmen haben Investitionen von globalen Batterieherstellern, Automobilherstellern und Risikokapitalgesellschaften angezogen und verzeichnen kontinuierliche Fortschritte.
Durch den Ersatz des brennbaren organischen Flüssigelektrolyten durch einen Festkörperelektrolyten (SSE) bieten Festkörperbatterien (SSBs) eine höhere Sicherheit und Robustheit gegenüber Missbrauch. Der SSE kann zudem mit einer Lithiummetallanode und einer Hochvoltkathode kombiniert werden, was die Energiedichte erhöht. Die besonderen Eigenschaften von SSBs ermöglichen die Reihen- und Parallelschaltung innerhalb einer Zelle und damit flexible Gehäusekonstruktionen. Darüber hinaus ermöglicht das innovative Gehäusedesign eine höhere Montageeffizienz, was zusätzlich zu einer höheren Energiedichte und reduzierten Systemkosten beiträgt.
Diese einzigartigen Wertversprechen haben das Interesse von akademischen Forschern, Batterieentwicklern, Automobilherstellern, Investoren sowie Material- und Komponentenlieferanten von ULS geweckt. Darüber hinaus wurde die konventionelle Lithium-Ionen-Batterieherstellung traditionell von ostasiatischen Ländern dominiert, mit bedeutenden Beiträgen aus Japan, China und Südkorea. Es vollzieht sich jedoch ein bedeutender Wandel: Die Vereinigten Staaten und mehrere europäische Länder treten in den Wettbewerb und verlagern die Wertschöpfung weg von Ostasien hin zu einer strategischen Ausrichtung auf die Errichtung von Batterieproduktionsstätten in der Nähe der Anwendungsmärkte.
Diese sich wandelnde Landschaft ist geprägt von der Erforschung neuer Materialien und Komponenten sowie der Neubewertung von Fertigungsprozessen. All dies eröffnet die Möglichkeit, die Lieferkette für Batterien neu zu organisieren. Sowohl aus technologischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht hat sich die Entwicklung von Einzelpulsbatterien (SSBs) als Teil der Batteriestrategie der nächsten Generation etabliert. Sie hat sich zu einem globalen Vorhaben entwickelt, das von regionalen Interessen und erheblicher staatlicher Förderung charakterisiert ist. Neue Materialien, Komponenten, Systeme, Fertigungsmethoden und technisches Know-how werden neue Chancen eröffnen.
Wichtige globale Akteure im Bereich Festkörperbatterien. Quelle: IDTechEx
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Polymerbasierte Festkörperbatterien (SSBs) sind bereits auf dem Markt erhältlich, beispielsweise im Daimler eCitaro. Semihybride SSBs befinden sich in der Testphase, wobei derzeit Muster für Erstausrüster (OEMs) erprobt werden. Keramische Festkörperbatterien (ASSBs) werden derweil noch entwickelt. Die meisten kommerziell erhältlichen und in Kürze erscheinenden ASSBs sind hybride Semi-Solid-Batterien, d. h. sie können geringe Mengen an Flüssigkeit oder Gel enthalten. Streng genommen sind nicht alle davon echte Festkörperbatterien (ASSBs). Für den Endverbraucher ist die spezifische Technologie jedoch irrelevant, solange die Batterien die erforderliche Leistung erbringen. Daher können Semi-Solid-Technologien einen guten Übergang zwischen der bereits kommerziell erhältlichen polymerbasierten SSB-Technologie und der zukünftigen sulfidbasierten SSB-Technologie darstellen. Mit zunehmender Reife dieser Technologien wird ein nahtloser Übergang zu SSBs möglich sein.
Roadmap zur Entwicklung der SSB-Batterietechnologie. Quelle: IDTechEx
Als größter potenzieller Markt ist die Automobilindustrie das Zielgebiet nahezu aller SSB-Anbieter. Spezialisierte Anwendungen, die eine höhere Toleranz gegenüber Missbrauch erfordern und weniger preissensibel sind, könnten hingegen die vielversprechendsten Einsatzgebiete für SSBs darstellen.
Potenzielle Marktgröße für Festkörperbatterien. Quelle: IDTechEx
Neue Anstrengungen zur Kommerzialisierung von Festkörperbatterien.
Toyotas Ankündigung unterstreicht erneut die Bedeutung kontinuierlicher Materialentwicklung. Daher ist es notwendig, weiterhin Materialien zu erforschen, Geräte zu optimieren und die Mechanismen der Batteriealterung zu untersuchen. Gleichzeitig muss die Entwicklung auch die Zellvalidierung und das Systemdesign in den Fokus rücken. Beispiele hierfür sind Zellpacksysteme (CTPs), Wärmemanagementsysteme und mechanische Konstruktionen.
Das CTP-Konzept (Combined Power Transport) ist nicht neu und findet sich bereits in Lithium-Ionen-Batterien, beispielsweise in BYDs Blade-Batterie und den CTP-Systemen von CATL. Durch die erhöhte Sicherheit und die Möglichkeit der bipolaren Stapelung von SSB-Zellen (Single-Steer Battery) gewinnt das CTP-Konzept zunehmend an Bedeutung. Diese verbesserte Batteriesicherheit ermöglicht flexiblere Batteriepack-Designs und reduziert den Bedarf an elektronischen Bauteilen in Batteriemodulen/-packs. So erlaubt die bipolare Bauweise beispielsweise eine engere Stapelung und eine höhere Energiedichte, was potenziell zu einer höheren Energiedichte bei vergleichbaren Systemkosten führt.
Das Wärmemanagementsystem ist bei Festkörperbatterien (SSBs) unabdingbar, kann aber so betrieben werden, dass es verschiedene sichere Betriebsbereiche ansteuert. Daher kann die optimale Betriebstemperatur für Festkörperbatterien von derjenigen von Lithium-Ionen-Batterien abweichen.
Darüber hinaus müssen mehr Anstrengungen unternommen werden, um die Anlagenauslastung, die Fabrikfläche, den Aufbau der Lieferkette und die Fertigungsleistung zu verbessern.
Autorin: Dr. Xiaoxi He, Forschungsdirektorin bei IDTechEx
