Was Feststoffbatterien noch bremst
Seit vielen Jahren heißt es, eine markttaugliche Feststoffbatterie würde kurz vor dem Durchbruch stehen. Doch noch gilt es, ein paar Schwierigkeiten zu lösen. Daniel Rettenwander, Principal Scientist am Austrian Institute of Technology, weiß welche.
Die Grundidee der Feststoffbatterie ist schnell erklärt: Statt eines flüssigen Elektrolyten nimmt man einen festen, meist anorganischen Elektrolyten, der Lithium-Ionen ähnlich gut leitet. Solche Materialien gibt es. Das Problem beginnt allerdings, wenn diese Materialien in einer Batterie eingesetzt werden sollen.
In herkömmlichen Batterien umschließt der flüssige Elektrolyt die Komponenten und sorgt so für einen guten Kontakt mit dem Elektrodenmaterial. In der Feststoffbatterie treffen hingegen feste Materialien aufeinander. Beim Laden und Entladen verändern die Elektroden zudem ihr Volumen, wodurch Kontakte verloren gehen können. Damit der Kontakt zwischen ihnen erhalten bleibt, braucht man in vielen Systemen Druck.
Viele Feststoffzellen benötigen im Labor einen Druck von mehreren zehn Megapascal. Bei der Integration in ein Auto sind technologisch hingegen nur wenige Megapascal machbar. Das ist die erste Hürde. Bei ihrer Bewältigung sind inzwischen allerdings schon große Fortschritte erreicht worden. Hinzu kommt, dass sich der Druck innerhalb der Batterie nicht gleichmäßig verteilt und lokal wesentlich höhere mechanische Spannungen auftreten können.
Es gibt aber noch eine zweite Hürde: die für die Herstellung notwendige Verdichtung. Vielfach sind circa 400 bis 500 Megapascal Druck nötig. Auf einer Fläche von etwa sechs mal fünf Zentimetern entspricht das grob gerechnet dem Gewicht von rund 40 afrikanischen Elefanten, übereinandergestapelt. Solche Drücke über größere Flächen homogen aufzubringen, ohne die Zelle dabei zu beschädigen, ist enorm schwierig. Deshalb beschäftigt sich ein beträchtlicher Teil der Forschung damit, die Schichten bei geringerem Druck ausreichend und homogen zu verdichten.
Daniel Rettenwander ist Professor für Materialwissenschaften an der Norwegian University of Science and Technology (NTNU) in Trondheim und leitet dort das Christian Doppler Labor für Feststoffbatterien. Zudem ist er Principal Scientist am
Austrian Institute of Technology (AIT) und Affiliate Professor für Elektrochemie an der TU Wien.
Ein anderer Ansatz besteht darin, statt einer tatsächlichen Feststoffbatterie eine Almost-Solid-Batterie zu entwickeln, bei der eine sehr kleine Menge von flüssigem Elektrolyt den Kontakt zwischen den festen Bestandteilen verbessert. Technisch kann das sinnvoll sein. Der Wunsch nach einer vollständig festen Batterie bleibt dennoch bestehen – auch deshalb, weil man sich davon mehr Sicherheit erwartet.
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