Flexible Feststoffbatterie erzielt Durchbruch: 86 % mehr Energiedichte bei 2.100 km Reichweite

Festkörperbatterien verlassen allmählich die Forschungsphase und gehen in die Prototypen- und Kleinserienfertigung über. Eine Reihe großer Unternehmen, darunter CATL, Toyota, Samsung, BYD, Mercedes und andere, haben das Jahr 2027 als Zeitpunkt festgelegt, zu dem sie ihre ersten E-Autos mit echten Festkörperbatterien auf den Markt bringen werden.

Im Gegensatz zu den hybriden „Semi-Solid-State“-Lösungen (halbfesten Batterien) in Fahrzeugen wie dem NIO ET7, die einen 95-prozentigen festen und 5-prozentigen flüssigen Elektrolyten verwenden. Die bisher angekündigten vollständigen Festkörperbatterien bieten eine Energiedichte von etwa 400 Wh/kg mit einem theoretischen Potenzial von bis zu 500 Wh/kg.

Das ist mehr als das Doppelte der Energiedichte der weit verbreiteten LifePO4-Batterien, die in allen möglichen Produkten verbaut sind – von Elektroautos der Massenmarktklasse bis hin zur beliebten Anker Solix Power Station, die derzeit in der „Big Deal“-Liste von Amazon Prime mit 42 % Rabatt erhältlich ist.

Neben der Verdopplung der Reichweite pro Ladung bei gleicher Baugröße sind Festkörperbatterien von Haus aus sicherer, da sie weniger reaktive Komponenten als Batterien mit brennbarem Flüssigelektrolyt enthalten. Eine echte Festkörperbatterie ist jedoch eher teuer, da der Elektrolyt unter hohem Druck und hoher Temperatur mit der Elektrode verschmolzen werden muss. Dies führt zu einem schlechteren Kontakt zwischen den Schichten und verringert die Effizienz des Lithium-Ionen-Transports. Außerdem hindert es Feststoffbatterien daran, ihr volles Potenzial auszuschöpfen.

Daher haben Metallforscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine bahnbrechende Elektrolytlösung für Festkörperbatterien entwickelt. Sie entfernten das „Feste” aus dem Festkörperelektrolyt, indem sie ihn auf einem flexiblen Polymer basieren ließen. Dieses Polymer enthält Ethoxygruppen und aktive, kurze Schwefelketten. Sie wurden entwickelt, um die Ionenleitfähigkeit zu erhöhen und sich auf molekularer Ebene mit der Kathode zu verbinden. 

Der resultierende Polymerelektrolyt in einer Verbundkathode erhöht aufgrund des verringerten Transferwiderstands nicht nur die Energiedichte der Festkörperbatteriezelle um enorme 86 %, sondern macht sie auch biegbar. Das flexible Festkörperbatteriesystem kann tatsächlich 20.000 Biegevorgänge standhalten und verbessert damit seine Stoßfestigkeit und Sicherheitseigenschaften noch weiter als konventionelle Sulfid-Festkörperbatterien. Letztere wollen beispielsweise Samsung oder Toyota bis 2027 zur Marktreife bringen.

Eine solche Steigerung der Energiedichte würde bedeuten, dass der Mercedes-EQB-Prototyp, der sich derzeit in Reichweitentests befindet, mit einer echten Festkörperbatterie mehr als 2.100 Kilometer mit einer einzigen Ladung zurücklegen könnte. Eine Festkörperbatterie mit einem flexiblen Polymerelektrolyt würde zudem die Lebensdauer und Sicherheit von Elektrofahrzeugen erhöhen – vorausgesetzt, sie kann in ausreichendem Maßstab produziert werden, um die Herstellungskosten auf ein wettbewerbsfähiges Niveau zu senken.