Wird die Zukunft der Batterien fest sein?

Festkörperbatterien und ihre erstmalige Verwendung in Elektrobussen in Wiesbaden

Die Frage im Titel dieses Artikels ist bezeichnend. Batteriehersteller und Wissenschaftler, die auf der Suche nach bedeutenden Fortschritten auf dem Gebiet der Batterieentwicklung sind, konzentrieren sich auf sogenannte Festkörperbatterien (auch: Feststoffbatterien). „Fest“ steht für Festigkeit und Steifigkeit und bezieht sich auf die Form des Elektrolyten, der in Festkörperbatterien verwendet wird. Heute sind Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen) und Lithium-Polymer-Batterien (Li-Polymer) allgemein bekannt – und jetzt kommen vielversprechende Festkörperbatterien hinzu.

Aber was ist der Unterschied zwischen ihnen und was macht Festkörperbatterien einzigartig? Bei allen genannten Technologien handelt es sich um Lithiumbatterien. Auch Festkörperbatterien stellen keinen mythischen Stolperstein für die Weisen der Batteriewelt dar. Sie bringen jedoch erhebliche Verbesserungen mit sich. Um sie zu verstehen, sollten wir uns den Aufbau aller drei Typen genauer ansehen.

Erinnern wir uns jedoch zunächst an das scheinbar „vertraute und triviale“ Funktionsprinzip der Batterie: Die Batterie basiert auf einer galvanischen Zelle, die eine chemische Quelle für elektrische Spannung ist. Sie besteht aus zwei Elektroden – einer negativen Anode und einer positiven Kathode –, die von einem Elektrolyten umgeben sind, d. h. einer flüssigen oder festen Lösung, die einen elektrischen Strom führt. Die elektrische Spannung wird durch den Unterschied im elektrischen Potenzial zwischen den Elektroden bestimmt, was nicht nur für galvanische Zellen gilt. Bei galvanischen Zellen wird das elektrische Potenzial an den Elektroden durch eine chemische Reaktion zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten erzeugt. Daher ist die galvanische Zelle eine Quelle für Gleichspannung.

Der Hauptunterschied zwischen diesen Arten von Lithiumbatterien ist der Elektrolyt, der bei den drei Technologien verwendet wird. Die folgende Abbildung zeigt den Hauptunterschied zwischen Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien. Bei Li-Ionen-Batterien, die heute in der Elektromobilität am häufigsten verwendet werden, besteht der Elektrolyt aus einer flüssigen Chemikalie. Bei Li-Polymer-Batterien ist der Elektrolyt ein Polymergel und bei Festkörperbatterien ist der Elektrolyt ein Feststoff.

Unterschied zwischen Festkörper- und Li-Ionen-Batterien, QUELLE: Leblogauto

Der Unterschied ist im Bild zu sehen. Bei Li-Ionen-Batterien und eigentlich auch bei Li-Polymer-Batterien werden die einzelnen Zellen in Reihe oder serienparallel geschaltet, die dann zu Modulen und diese zu Batterieaggregaten zusammengebaut werden. Bei Festkörperbatterien kann dies innerhalb des Batteriemoduls und des gesamten Aggregats geschehen. Und hier liegt die wesentliche Verbesserung. Weniger Material pro Zellkörper bedeutet weniger Gewicht, weniger Volumen und damit eine deutlich bessere Energiedichte (Wh/l) und spezifische Energie (Wh/kg).

Alle drei Batterietypen haben die gleiche Mischung aus Lithium und anderen Elementen, die dann den Batterietyp und die anderen Eigenschaften (NMC, LFP, NCA usw.) bestimmen. Bei Li-Ionen-Batterien ist die Anode aus Kohlenstoff, außer bei LTO, wo die Kohlenstoffanode durch eine Anode aus Li₄Ti₅O₁₂ oder Lithium-Titan-Oxid ersetzt wird. Bei Li-Polymer-Batterien ist die Kathode die gleiche wie bei Li-Ionen-Batterien, was auch für Festkörperbatterien gilt. Li-Polymer-Batterien bieten auch einen Gewichtsvorteil. Aufgrund ihrer Bauweise benötigen sie kein so robustes Zellgehäusematerial und bringen daher eine erhebliche Gewichtseinsparung mit sich, die durch Festkörperbatterien sogar noch verstärkt werden. In der folgenden Abbildung ist das Konstruktionsprinzip einer Lithiumbatterie dargestellt. Sie zeigt, dass der Elektrolyt durch Separatoren von den beiden Elektroden getrennt ist. Bei Festkörperbatterien ist ein Separator nicht erforderlich, da der Separator selbst der Elektrolyt ist.

Cathode (Li Metal Oxide)	Kathode (Li-Metalloxid)
Anode (Carbon)	Anode (Kohlenstoff)
ELECTROLYTE	ELEKTROLYT
Li Charge	Li Laden
Li Discharge	Li Entladen

Das Prinzip der Li-Ionen-Batterie, QUELLE: Batterie-Universität

Festkörperbatterien und ihre Konstruktion bringen also neben einer erheblichen Gewichtseinsparung oder einer Erhöhung der Dichte und der spezifischen Energie weitere bedeutende Verbesserungen mit sich. Eine von ihnen ist die Sicherheit. Im Gegensatz zu herkömmlichen Li-Ionen-Batterien behält die Festkörperbatterie ihre Form auch bei Beschädigung bei und erhöht damit die Sicherheit im Falle eines Schadens, z. B. bei einem Unfall, erheblich. Allerdings haben Festkörperbatterien noch ihre eigenen technischen Grenzen. Dazu gehören die im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien deutlich geringere Zyklenzahl, der höhere Innenwiderstand (und damit höhere Verluste bei hoher Leistung und die Unmöglichkeit des Schnellladens) sowie die geringe Kältebeständigkeit. Im Gegensatz dazu können sie im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien bei gleicher Größe doppelt so viel Energie speichern, was sie künftig zum Spitzenreiter der Batterien machen wird.

Festkörperbatterien in Elektrobussen in Wiesbaden

Der Einsatz von Festkörperbatterien im Normalbetrieb von Elektrobussen hat Anfang Februar 2021 in Wiesbaden (ca. 280.000 Einwohner) begonnen. Das örtliche Verkehrsunternehmen ESWE Verkehr hat 21 Elektrobusse vom Typ Mercedes eCitaro in Betrieb genommen, die mit Batterien mit dieser Technologie ausgestattet sind.

Der eCitaro (siehe Foto unten) ist ein 12 m langer Elektrobus in einer zweitürigen Standardversion für 88 Fahrgäste. Die für diesen Elektrobustyp gelieferten Festkörperbatterien bestehen aus sechs Batteriemodulen mit einer Gesamtkapazität von 387 kWh. Die Batterien sind auf dem Dach und im Heck des Elektrobusses untergebracht. Der Hersteller bietet auch eine Version mit sieben Batteriemodulen mit einer Gesamtkapazität von 441 kWh an, die 74 Fahrgäste befördern kann, also 8 % weniger. In beiden Versionen gibt es 29 Sitzplätze.

Schauen wir uns nun die Informationen des Herstellers über den Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung der Batterien und ihrer Kapazität im Hinblick auf den nutzbaren Fahrgastraum an. Der eCitaro wird auch mit NMC-Batterien geliefert (mehr über Elektrobusbatterien und ihre chemische Zusammensetzung in unserer Batterie-Universität hier).

Die NMC-Batterie im zweitürigen Elektrobus eCitaro mit sechs Standard-Batteriemodulen mit einer Gesamtkapazität von 146 kWh ermöglicht eine Beförderungskapazität von 85 Fahrgästen. In der Variante mit acht Standard-Batteriemodulen mit einer Gesamtkapazität von 194 kWh ist eine Beförderungskapazität von 74 Fahrgästen möglich. Vergleichen wir dies mit den oben genannten Parametern des Elektrobusses mit Festkörperbatterien. Es zeigt sich, dass der Einsatz von Festkörperbatterien die Energiespeicherkapazität und damit die Reichweite pro Ladung im Vergleich zu Standard-NMC-Batterien um etwa 130 bis 170 % erhöht. Bei der Ausstattung mit einer NMC-Batterie mit 33-kWh-Zellen im Vergleich zu Standard-NMC-Batterien mit 24-kWh-Zellen beträgt dieser Unterschied etwa 70 bis 100 %.

Der Elektrobus eCitaro unterwegs in Wiesbaden

Aus dem oben Gesagten über Festkörperbatterien wird deutlich, dass diese Technologie im Ladebetrieb an einer Steckdose während der Nacht für den Ganztagsbetrieb effizient genutzt werden kann. Dies ist auch der Weg, den ESWE Verkehr beschreitet. Deshalb gehört zum gesamten Wiesbadener Elektrobusprojekt auch eine Ladestation in der Werkstatt in der Gartenfeldstraße (siehe Foto rechts), die mit einem intelligenten Energiemanagement ausgestattet ist, das je nach aktuellem Ladezustand der Batterien bestimmte Fahrzeuge bestimmten Linien zuordnet. Mit dem gesamten Stromverbrauch für das Fahren und die Zusatzausrüstung (sog. Nicht-Traktionsverbrauch) soll der Elektrobus eCitaro mit fest eingebauten Batterien in Wiesbaden mindestens 200 km pro Ladung zurücklegen.

Der Elektrobus eCitaro an der Ladestation in Wiesbaden

Gibt es noch andere vielversprechende Batterietechnologien?

Die gibt es. Lithium-Schwefel (oder Li-S), scheint eine solche Technologie zu sein. Das Konstruktionsprinzip ist den Lithium-Ionen-Batterien sehr ähnlich: es handelt sich eigentlich um eine Lithium-Ionen-Batterie. Diese Batterien haben normalerweise Grafitanoden. Während der Entladung werden Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode freigesetzt. Die Kathode besteht dann in der Regel aus einer Verbindung von Lithium und Metall. In Lithium-Schwefel-Batterien ersetzt die Li-S-Verbindung die „Metall“-Kathode. Dadurch wird das Gewicht der Batterie erheblich reduziert.

Die spezifische Energie einer Lithium-Schwefel-Batterie kann bis zu 550 Wh/kg betragen (siehe Artikel der Battery University, Future Batteries, veröffentlicht am 8. September 2020, hier verfügbar). Diese Batterien haben zwar eine niedrigere Zellspannung (2,1 V), doch wird dies durch eine sehr hohe spezifische Energie kompensiert. Gegen diese Technologie spricht die bisher sehr geringe Anzahl von Zyklen (ca. 50 Ladezyklen), da der Schwefel aus der Kathode freigesetzt wird und mit der Anode reagiert. Es ist unwahrscheinlich, dass Li-S in naher Zukunft zu einer bahnbrechenden Neuerung im Speicherbereich wird.

Die Lithium-Luft-Batterietechnologie liefert ebenfalls sehr interessante Zahlen. Diese Technologie könnte theoretisch der „heilige Gral“ sein, nach dem die Wissenschaftler suchen. Theoretisch kann sie viel mehr Energie speichern als alle derzeitigen Technologien. Die Wissenschaftler haben versucht, eine Batterie zu entwickeln, die Sauerstoff ähnlich wie Brennstoffzellen verwendet. Die Konstruktion besteht darin, dass die Batterie, wie die Lithium-Ionen-Batterie, einen Elektrolyten, eine Lithiumanode und eine katalytische Kathode enthält, die eine chemische Reaktion im Batteriesauerstoff ermöglicht. Die theoretische spezifische Energie wird mit 13 kWh/kg angegeben. Dies ist fünfzigmal höher als die höchste spezifische Energie der derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien und entspricht der von Benzin. Im Vergleich zu Benzin haben elektrische Antriebe mit Rückspeisung jedoch nur minimale Verluste.

Trotz dieser vielversprechenden theoretischen Zahlen ist die Aussicht auf eine baldige Kommerzialisierung noch nicht gegeben, da noch einige grundlegende technische Probleme gelöst werden müssen. Dabei handelt es sich vor allem um die Gestaltung der technischen Lösung mit einem Luftreiniger oder um eine deutliche Verbesserung der zyklischen Lebensdauer. Wie bei anderen Sauerstoffbatterien muss auch bei diesen Batterien die spezifische Leistung (W/kg), die vor allem bei niedrigen Temperaturen sehr gering ist, in Angriff genommen werden.