Festkörper-Batterien könnten das Thema Reichweitenangst bei E-Autos theoretisch ein für alle Mal beenden. Praktisch blieb es aber bisher bei vielen Versprechungen, weil die Produktion kompliziert ist. Jetzt kommt offenbar Bewegung in die Sache. Viele Hersteller melden Fortschritte auf dem Weg zur Serienreife.

Es könnte allerdings sein, dass die Technologie jetzt quasi rechts überholt wird – und zwar von herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen mit Silizium-Anode. Sie bieten ähnlich hohe Energiedichten, sind aber einfacher zu produzieren. Und sie senken die Abhängigkeit von China. Die Batterieentwicklung dürfte künftig also noch spannender werden.

Bei modernen Lithium-Akkus bestehen die Anoden üblicherweise aus Graphit wie Bleistiftenminen. Die Kathoden basieren in der Regel auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) oder aus Lithium-Eisenphosphat (LFP). Beim Laden wandern die Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode, beim Entladen zurück von der Anode zur Kathode.

Festkörperbatterien: Ab 2025 „größere Mengen“

Festkörperzellen setzen vor allem an der metallischen Komponente an. Statt Metalloxiden nutzen sie reines Lithium. Entsprechend hoch ist ihre Energiedichte.

Einer der bekanntesten Hersteller ist Quantumscape, an dem auch Volkswagen beteiligt ist. Er hat nun nach eigenen Angaben eine entscheidende Hürde zur Serienproduktion von keramischen Separatoren genommen. Schon ab 2025 könne man „größere Mengen“ an Musterzellen liefern. Ihre Energiedichte beziffert Quantumscape auf 844 Wattstunden pro Liter. Auch MG, Mercedes, Toyota und CATL haben in letzter Zeit Fortschritte bei den Festkörperzellen gemeldet.

Ohne Graphit werden aber auch künftige Festkörper-Zellen nicht auskommen. Dieses braucht allerdings viel Platz und bremst den Ionenaustausch. Deshalb gehen die Hersteller von Silizium-Zellen den genau umgekehrten Weg: Sie setzen nicht bei der Metall-Elektrode an, sondern beim Graphit. Schon eine Beimischung von fünf bis zehn Prozent Silizium kann die Ladeleistung drastisch verbessern, wie unter anderem der Porsche Taycan zeigt. Auch der kommende Mercedes CLA soll ab 2025 mit einer Graphit-Silizium-Anode unterwegs sein.

Noch besser wären allerdings Anoden komplett aus Silizium. Denn während es sechs Kohlenstoff-Atome braucht, um ein einziges Lithium-Ion zu beherbergen, können zwei Silizium-Atome bis zu sieben Atome Lithium aufnehmen. Silizium ist zwar schwerer als Kohlenstoff, aber der „massebezogene Vorteil“ liege immer noch „bei etwa Faktor zehn“, wie Heise Autos schreibt.

Das Problem dabei: Beim Laden und Entladen schrumpft das Silizium beziehungsweise dehnt sich aus. Dies führt zu mechanischen Spannungen, welche die Lebensdauer einer Zelle beeinträchtigen. Die US-Unternehmen Sionic Energy und Group14 Technologies wollen dieses Problem jetzt nach eigenen Angaben gelöst haben – durch eine Anode, die auf der Nano-Skala wie ein Schwamm strukturiert ist. Die winzigen Silizium-Partikel sind darin von einem Gerüst aus anderen Stoffen umgeben. Dadurch können sie sich frei ausdehnen.

Diese Anoden sollen eine um 42 Prozent höhere Energiedichte erlauben und die Ladedauer um ein Drittel auf zehn Minuten reduzieren. Konkret nennen die Hersteller für Zellen bis zehn Amperestunden eine Energiedichte von 330 Wattstunden pro Kilogramm (beziehungsweise 842 Wattstunden pro Liter) sowie eine Haltbarkeit von bis zu 1.200 Zyklen. Größere Zellen mit 20 Amperestunden erreichen eine noch höhere Energiedichte, allerdings bei nur halber Zyklenzahl. Zum Vergleich: Die besten nickelreichen Akkus von Tesla kommen laut IEEE Spectrum auf knapp 300 Wh/kg respektive gut 700 Wh/l.

Noch wichtiger als diese Eckdaten: Die Herstellung der Anoden lässt laut Unternehmen nahtlos in die Produktion herkömmlicher Lithium-Ionen-Zellen integrieren. Das ist entscheidend, denn viele vielversprechende Laborkonzepte scheitern auf dem Weg zur Massenherstellung. Und während die Graphit-Herstellung zu über 90 Prozent in chinesischer Hand liegt, ist Silizium deutlich unabhängiger.

Sionic will seine Technik an andere Hersteller lizensieren. Bereits 2025 sollen potenzielle Kunden die ersten Zellen testen können. CEO Ed Williams sieht die ersten Anwendungen bei der Consumer Electronic und der Luftfahrt, sagte er gegenüber IEEE Spectrum. Er schätzt, dass Anoden mit 30 bis 100 Prozent Silizium-Anteil in den nächsten drei bis fünf Jahren den Markt durchdringen werden. Rick Luebbe, Chef von Group14, glaubt gar: „Mit der Zeit werden Silizium-Batterien die herkömmlichen Lithium-Ionen komplett ersetzten.“

Anfang 2025 will Group14 in den USA eine Fabrik für jährlich 20 Gigawattstunden eröffnen, genug für 100.000 bis 200.000 E-Autos. In Südkorea läuft bereits eine Anlage für zehn Gigawattstunden. Zu den Investoren von Group14 zählt auch Porsche mit einem Anteil von 100 Millionen US-Dollar.

Das Startup NorcSi aus Halle an der Saale arbeitet ebenfalls an reinen Silizium-Anoden. Auch hier soll eine Nano-Struktur die Volumenänderung unterbinden. Und auch hier lassen sich die Elektroden mit etablierten Verfahren herstellen. „Unsere Testzellen erreichen bereits ordentliche Werte mit Blick auf die Zyklenstabilität und außerordentliche bei Ladegeschwindigkeit und Kapazität“, teilt das Unternehmen mit. „Dennoch stehen uns zahlreiche Parameter zur weiteren Optimierung offen.“

Auch die Aachener FEV-Group entwickelt gemeinsam mit dem Partner ProLogium eine Zelle mit reiner Silizium-Elektrode und einem Festkörper-Elektrolyt – also eine Festkörper- und Siliziumzelle in einem. In acht Minuten soll sie zu 80 Prozent geladen werden können, ihre Energiedichte beträgt von 360 Wh/kg. Ein Datum zur Markteinführung nennt das Unternehmen nicht.