Forscher entlarven das größte Problem der Feststoff-Batterien

Neue Forschungsergebnisse könnten die Entwicklung von Feststoffbatterien entscheidend voranbringen. Zwei unabhängige Studien haben die Ursachen für jene internen Kurzschlüsse identifiziert, die eine breite Markteinführung der Technologie bislang verhindert haben.

Lithium-Strukturen mindern Haltbarkeit

Seit Jahren war bekannt, dass Feststoffbatterien im Betrieb feine Lithiumstrukturen bilden können. Diese wachsen im Inneren der Zelle und durchdringen schließlich den festen Elektrolyten, der eigentlich die positive und negative Elektrode voneinander trennen soll. Die Folge sind Kurzschlüsse und der Ausfall der Batterie. Unklar war bislang jedoch, warum diese Strukturen überhaupt entstehen und weshalb sie den Elektrolyten überwinden können.

Ein Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien berichtet nun in der Fachzeitschrift Nature, dass sich beim Laden der Batterien erhebliche mechanische Spannungen aufbauen. Demnach erzeugen Lithiumablagerungen einen so hohen Druck, dass der feste Elektrolyt von innen Risse bekommt. Diese Beschädigungen erleichtern das Eindringen der Lithiumstrukturen.


Eine zweite Studie, veröffentlicht in Nature Nanotechnology, stammt von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology (MIT), der Technischen Universität München und weiterer Forschungseinrichtungen. Sie zeigt, dass kleinste Ungleichgewichte im elektrischen Stromfluss innerhalb des Elektrolyten die Bildung der unerwünschten Lithiumstrukturen überhaupt erst begünstigen.

Die Erkenntnisse kommen zu einem Zeitpunkt, an dem Autohersteller und Batterieunternehmen weltweit Milliardenbeträge in die Entwicklung der Technologie investieren. Feststoffbatterien gelten als vielversprechender Nachfolger heutiger Lithium-Ionen-Akkus. Sie versprechen höhere Energiedichten, größere Reichweiten, kürzere Ladezeiten und eine verbesserte Sicherheit, da sie auf einen flüssigen Elektrolyten verzichten. Darüber hinaus werden Einsatzmöglichkeiten in der Luftfahrt, der Verteidigung und bei stationären Energiespeichern gesehen.

Alles wartet

Trotz der bisherigen Rückschläge treiben zahlreiche Unternehmen ihre Programme weiter voran. Honda betreibt bereits eine Demonstrationsfertigung in Japan, Toyota plant den kommerziellen Einsatz seiner Feststoffbatterien für die Jahre 2027 bis 2028. Auch Mercedes-Benz und BMW testen entsprechende Batteriezellen bereits unter realen Straßenbedingungen. Parallel investieren Batteriehersteller wie CATL, Samsung SDI, QuantumScape, Solid Power und Factorial Energy in Pilotanlagen und Entwicklungsprogramme.

Ob sich Feststoffbatterien tatsächlich im großen Maßstab durchsetzen, hängt nun vor allem von der industriellen Umsetzung ab. Die bekannten Schwachstellen müssen dabei dauerhaft beseitigt werden, gleichzeitig müssen die Batterien kostengünstig in hoher Stückzahl produziert werden und über Tausende Ladezyklen zuverlässig funktionieren. Mit den neuen Forschungsergebnissen sehen Experten dafür nun deutlich bessere Voraussetzungen.


Siehe auch: