Ausgangslage

Energiespeicherung der nächsten Generation.

Aufgrund von Leistungseinschränkungen, Umweltschutz und Überlegungen zur Lieferkette wird jedoch ständig an Technologien zur Energiespeicherung der nächsten Generation geforscht. Unter all diesen Optionen haben die populären Diskussionen über Festkörperbatterien sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie zu Anstrengungen geführt. Festkörperbatterien haben die meiste Aufmerksamkeit von Forschungsinstituten, Materiallieferanten, Batterieanbietern, Komponentenlieferanten, Automobilherstellern, Risikokapitalgebern und Investoren auf sich gezogen. Es gibt auch eine wachsende Zahl von Akteuren, die weltweit an Festkörperbatterien arbeiten.

Festkörperbatterien.

Die erste Generation von Festkörperbatterien wurde in den 1960er Jahren konzipiert. Die Einschränkungen in Bezug auf die Leistungsdichte, die Verarbeitung und die Kosten verhinderten jedoch ihren Einsatz in breiteren Anwendungen, und Festkörperelektrolyte wurden größtenteils zugunsten der überlegenen elektrochemischen Leistung von Systemen auf der Grundlage von Flüssigelektrolyten, die in organischen Lösungsmitteln gelöste Lithiumsalze verwenden, beiseite gelassen. Dennoch haben die jüngsten Entwicklungen bei Festkörperelektrolyten zu einem neuen Interesse an diesem Bereich geführt.

Die Technologie der Festkörperbatterien ist ein Lösungsansatz, der das Potenzial hat, die Zukunft der Elektromobilität zu werden. Es gibt bereits eine ganze Reihe von großen Vorteilen, aber auch viele Nachteile und Grenzen, die noch untersucht werden und bis heute die Markteinführung der Festkörperbatterien verzögern. Festkörperbatterien unterscheiden sich von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, angefangen bei den verwendeten Materialien, dem Zelldesign und dem Systemdesign bis hin zum Aufbau der Lieferkette, der Herstellung und dem Recycling. Die Branche ist noch nicht ausgereift, so dass noch viele Fragen offen sind. 

Festkörperbatterien haben das Potenzial, die Anpassung der Elektrifizierung auch in anderen Sektoren wie der Luftfahrt zu verbessern, wo die herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien die Anforderungen nicht umfassend erfüllen. Bemerkenswerte Fortschritte bei der Sicherheit, hohe Energiedichte, schnelles Aufladen und geringerer ökologischer Fußabdruck gehören zu den vielen wichtigen Leistungsindikatoren, die durch Festkörperbatterien potenziell verbessert werden können.

Die optimistischen und pessimistischen Meinungen deuten auf ein mangelndes Verständnis von Solid-State-Batterien hin. Da die Branche der Festkörperbatterien noch nicht ausgereift ist, gibt es je nach Technologie unterschiedliche Wertversprechen, Zellkonzepte, Leistungen, Anforderungen an die Lieferkette, Fertigungsmethoden und Bereitschaftsgrade. Aber im Allgemeinen sind bessere Sicherheit, potenziell höhere Energiedichte und vereinfachte Systemdesigns immer noch die Hauptantriebskräfte für Festkörperbatterien.

Obwohl die derzeitigen Festkörperbatterien im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien einige Vorteile nicht bieten können, sind eine bessere Sicherheit, eine potenzielle Erhöhung der Energiedichte und eine Vereinfachung des Designs auf Systemebene nach wie vor die wichtigsten Antriebsfaktoren für Festkörperbatterien. Es gibt viele Fragen rund um Festkörperbatterien, von Technologie-Benchmarking und -Analyse, Markteinschätzung und -prognose, Verfolgung und Bewertung der Aktivitäten von Akteuren bis hin zu Aufbau und Sicherheit der Lieferkette.

Stand der Technik.

Gegenwärtig konzentriert sich die Festkörpertechnologie aufgrund der Produktionskosten auf kleine Zellen. Die Knopfzelle (20 mm Durchmesser, 1 mm dick, 85 mAh) von Infinite Power Solutions, Inc. und Sakti3 erreichte Energiedichten von über 1000 Wh L-1 [52]. Etwa 20 Unternehmen weltweit haben erfolgreich Prototypen hergestellt. Die Festkörpertechnologie bietet Möglichkeiten für große Zellen und EV-Anwendungen. Die "Batscap" von Bolloré verwendet eine Li-Metall-Anode, eine V2O5-Kathode und einen PEO-LiTFSI-Polymerelektrolyten; das 2,7-kWh-Modul liefert 31 V, 25 kg, 25 L, Pmax: 8 kW, 110 Wh/kg. Zehn Module bilden die 27-kWh-Batterie im "Blue Car" mit einer Reichweite von ca. 250 km und einer Wiederaufladezeit von 6 h. Etwa 3000 Autos sind im Einsatz [53]. Da Feststoffsysteme kein Kühlsystem benötigen, wiegen sie weniger und benötigen weniger Platz als Lithium-Ionen-Batterien für den Antrieb von Elektroautos. Volkswagen hat eine 5 %ige Beteiligung an der US-amerikanischen QuantumScape erworben, und Bosch hat die US-amerikanische Seeon gekauft; beide US-Unternehmen entwickeln Polymersysteme. Toyota arbeitet an Feststoffzellen mit keramischen Elektrolyten. Die 2-Ah-Modellzelle (C/Li2S-P2S5/NCM) erreichte etwa 400 Wh L-1 und 250 W L-1.

Lithium-Ionen

Der Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie.

Um das Funktionsprinzip einer Festkörperbatterie zu verstehen, ist es zunächst wichtig, den Unterschied zur Lithium-Ionen-Technologie zu kennen.

Jede Lithium-Ionen-Zelle hat:

• Zwei Elektroden, d.h. Verbindungen, die die Einlagerung von Lithium-Ionen in ihre Struktur zulassen. Genauer gesagt handelt es sich um:
• Eine Kathode, d.h. den positiven Pol der Batterie aus kathodischem Material (z.B. LFP, NMC, LMO, etc.) und den Stromabnehmer
• Eine Anode, d.h. der negative Pol der Batterie aus anodischem Material (z.B. Kohlenstoff oder Graphit) und der Stromkollektor
• Einen zentralen Separator, d. h. eine dünne Schicht aus einem Kunststoffpolymer (Polyethylen oder Polypropylen), die als mechanischer Separator zwischen Anode und Kathode und als Isolator wirkt.
• Elektrolyt: das Medium, durch das sich die Ionen bewegen; eine organische Flüssigkeit, die Lithiumsalz enthält. Der Elektrolyt füllt das gesamte Volumen der Zelle aus, tränkt die Elektroden und ermöglicht die Bewegung der Lithiumionen, indem er als Verbindungsglied zwischen Kathode und Anode fungiert.

In einer aktuellen Lithium-Ionen-Batterie hat der Separator außer der Isolierung keine weiteren Funktionen und ist vollständig in den flüssigen Elektrolyten eingetaucht, der das gesamte Zellinnere durchtränkt und zu einem echten Medium wird, durch das sich die Lithiumionen zwischen der Kathode und der Anode bewegen, wobei die Anode aus einer Graphitstruktur besteht. Die Lithiumionen bewegen sich also durch den Elektrolyten und lagern sich in die Kristallstrukturen der beiden Elektroden von Anode und Kathode ein. Das sind Strukturen, die im Inneren leere Räume aufweisen, in welche die Lithiumionen passen, da sie sehr kleine Teilchen sind.

Wenn eine externe Stromquelle an eine Lithium-Ionen-Batterie angeschlossen wird, findet an der positiven Elektrode (Kathode) eine Oxidationsreaktion statt, bei der Lithium-Ionen (Li+) und Elektronen (e-) aus der Kathode freigesetzt werden. Sowohl die Lithium-Ionen als auch die Elektronen wandern durch den Elektrolyten bzw. den Stromkreis zur negativen Elektrode (Anode) und werden dort als Lithium gespeichert. Dies ist die Aufladung.

Wenn eine geladene Lithium-Ionen-Batterie an einen externen Stromkreis angeschlossen wird, findet an der Anode eine Oxidationsreaktion statt. Die durch die Oxidationsreaktion freigesetzten Lithium-Ionen (Li+) wandern durch den Elektrolyten und kehren zur Kathode zurück. Die durch die Oxidationsreaktion freigesetzten Elektronen (e-) kehren über den externen Stromkreis zur Kathode zurück. Dies ist die Entladung.

Bisherige Lithium-Ionen-Batterien verwenden einen flüssigen Elektrolyten, der anfälliger für chemische Reaktionen ist und eine ausgezeichnete Ionenleitfähigkeit aufweist. Aufgrund der Eigenschaften von Flüssigelektrolyten reagieren auch andere Stoffe als Lithiumionen und verursachen Nebenreaktionen, wodurch die Materialien für Elektroden und andere Teile der Batterie anfälliger für eine Verschlechterung werden. Außerdem sind flüssige Elektrolyte organische Lösungsmittel und entflammbar, so dass vorbeugende Maßnahmen gegen ein Auslaufen erforderlich sind. Außerdem muss in der Mitte ein Separator angebracht werden, um den direkten Kontakt zwischen Kathode und Anode zu verhindern, der einen Kurzschluss verursacht. Der Separator ist sowohl hitze- als auch kälteempfindlich, was den Betriebstemperaturbereich der Batterie einschränkt. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien nach heutigen Maßstäben eine hervorragende Leistung bieten, müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, darunter auch die oben erwähnten.

Die massive Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien ist zum Teil auf Nickel-Kobalt-Mangan-Batterien (NCM) zurückzuführen, die ein gutes Gleichgewicht zwischen Energiedichte und Leistung aufweisen und einen Großteil des derzeitigen Wachstums bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen im Automobilsektor sowie bei batteriebetriebenen Hybrid- und Elektroschiffen ausmachen. Von Schiffen bis hin zu Tablets haben sich NCM-Batterien in den letzten Jahren stark durchgesetzt, wobei Hersteller wie LG und Samsung sie in den Mittelpunkt ihres Batterieproduktionsportfolios gestellt haben.

Li-Ionen-Batterien haben sich durchgesetzt, weil sie billig sind und eine gute Leistung bieten. Da die Kosten für diese Batterien in den letzten zehn Jahren erheblich gesunken sind, werden sie zu einer praktikableren Alternative für Anwendungen mit langer Laufzeit, da sie einfach in größeren Mengen gestapelt werden können. Heute haben diese Batterien niedrige Kosten und eine steigende Energiedichte erreicht - nicht, indem sie die Konkurrenz mit technologischen Durchbrüchen überrumpelt haben, sondern durch einfache und anhaltende technische Optimierung ihrer Produktionsmethoden, Werkzeuge, Geschwindigkeiten und Effizienz.

Wenn man die gegenwärtige Verbesserungsrate extrapoliert, werden NCM-Li-Ionen-Batterien auf Zellebene 100 $/kWh und wahrscheinlich 300 Wh/kg vor 2030 erreichen. Gegenwärtig scheinen diese Raten linear zu sein, aber wenn eine größere Steigerung eintritt, werden diese Werte viel früher erreicht werden. Ein Beispiel: Wenn sich die Energiedichte von Batterien in 10 Jahren verdoppelt, wird ein Fahrzeug wie das Tesla Model S keine 500 km Reichweite haben, sondern 1000 km. Umgekehrt können die Kosten für ein Tesla Model S um bis zu 50 % gesenkt werden, wenn das Volumen des Batteriepacks halbiert wird, da für die gleiche Leistung weniger Batterie benötigt wird und die Batterie den Großteil der Fahrzeugkosten ausmacht. Bei einem kleineren Fahrzeug wie dem Tesla Model 3 oder dem Hyundai Kona EV könnte die Reichweite verdoppelt oder der Preis um 25-50 % gesenkt werden, was darauf hindeutet, dass ein praktisches Elektroauto mit großer Reichweite zu einem Preis von 20.000-30.000 USD erworben werden könnte.

Aber auch die Li-Ionen-Batterien sind mit Mängeln behaftet. Heutige Li-Ionen-Batterien verwenden einen Elektrolyten, dessen Hauptbestandteil Ethylencarbonat ist. Der Elektrolyt ist so konzipiert, dass er sowohl der Anode als auch der Kathode Stabilität verleiht. Da Ethylenkarbonat entflammbar ist, besteht die Gefahr von Batteriebränden und folglich von toxischen Gasen.  Neben den Sicherheitsaspekten gibt es weitere Hindernisse, die einem verstärkten Einsatz bestehender Batterien im Verkehr entgegenstehen: Kosten, Energiedichte (sowohl volumetrisch als auch gewichtsmäßig), Lade- und Entladeraten und Lebensdauer.

Die Produktion von Li-Ionen-Batterien belastet auch die weltweiten Kobaltvorräte. Da sich mehr als 55 % der weltweiten Reserven in der Demokratischen Republik Kongo befinden, wird die Versorgung mit Kobalt aufgrund der steigenden Nachfrage und der mit dem Abbau verbundenen Umwelt- und Nachhaltigkeitsprobleme immer schwieriger. Es stellt sich daher die Frage, ob es andere Batteriechemien gibt, die sowohl diese Probleme lösen als auch mit der Leistung konkurrieren können?

Funktionsprinzip einer Festkörper-batterie

Was sind Redoxreaktionen?

Festkörperbatterien speichern und verteilen die Energie über Redoxreaktionen. An der Kathode findet eine Reduktion und an der Anode eine Oxidation statt, so dass die Batterie je nach Bedarf Energie speichern und abgeben kann. Bei Festkörperbatterien wird ein fester Elektrolyt verwendet, der aus Glas, Keramik, festen Polymeren oder Sulfiten besteht, im Gegensatz zu einem Polymergel oder einem flüssigen Elektrolyt, wie sie in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge (EVs) verwendet werden. Festkörperbatterien ersetzen organische Flüssigelektrolyte durch Festkörper-Gegenstücke, was sicherere und langlebigere Batterien ermöglicht. Die Umstellung von einem flüssigen auf einen festen Elektrolyten ermöglicht eine sicherere Batterie mit höherer Kapazität und besseren Leistungseigenschaften.

Im Jahr 2011 wurde ein fester Elektrolyt entdeckt, dessen Ionenleitfähigkeit höher ist als die von flüssigen Elektrolyten, und die Forschung an reinen Festkörperbatterien begann. Im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten sind feste Elektrolyte chemisch stabiler und weniger anfällig für unerwartete Nebenreaktionen, so dass die Batteriematerialien weniger anfällig für Degradation sind. Außerdem besteht keine Gefahr, dass der Elektrolyt ausläuft. Da der Festelektrolyt auch als Separator dient, gibt es außerdem keinen physischen Kontakt zwischen Kathode und Anode, und die Batterie kann auch bei hohen Temperaturen betrieben werden. Dies erweiterte die Auswahl an Elektrodenmaterialien, einschließlich Materialien, die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien nicht verwendet werden können, und ermöglichte eine Hochspannungsbatterie mit hoher Kapazität auf kleinerem Raum.

Struktur einer Festkörperbatterie.

Die innere Struktur einer Festkörperbatterie ist jedoch ganz anders als die von Lithiumbatterien, da alle ihre Teile fest sind. Während bei herkömmlichen Lithiumbatterien der Elektrolyt eine Flüssigkeit ist, bestehen Festkörperzellen aus einer Kathode (oder positiven Elektrode), die aus denselben Verbindungen wie eine Lithium-Ionen-Batterie hergestellt werden kann (z. B. LFP, NMC, LMO usw.). Und einem einem Separator, im Allgemeinen aus Keramik oder einem festen Polymer, der auch als Elektrolyt dient sowie einer Anode aus Lithiummetall (reines Lithium).

Die graue Mittelschicht ist der Feststoffseparator, der als solcher sowohl als Separator zwischen Anode und Kathode als auch als Elektrolyt fungiert. Er wird somit zum Medium, durch das sich die Ionen bewegen, und hat außerdem elektrisch isolierende Eigenschaften und dient als mechanischer Separator zwischen Anode und Kathode. Die Tatsache, dass es sich um einen festen, widerstandsfähigen Träger handelt, ermöglicht es, die Graphitstruktur auf dem Anodenteil zu entfernen und gewährleistet, dass sich das Lithiummetall direkt auf der Anode anreichert. Es gibt aber auch halbfeste Lösungen, bei denen der Elektrolyt ein Gel ist.

Drei wichtige Materialsysteme.

Im Bereich der Festkörperbatterien gibt es verschiedene technologische Ansätze. Oxid-, Sulfid- und Polymersysteme sind zu den beliebtesten Optionen für die Entwicklung der nächsten Generation geworden, wobei es in jeder Kategorie weitere Varianten gibt. Im Allgemeinen haben Sulfidelektrolyte die Vorteile einer hohen Ionenleitfähigkeit, die sogar besser ist als die eines flüssigen Elektrolyten, einer niedrigen Verarbeitungstemperatur, eines breiten elektrochemischen Stabilitätsfensters usw. Viele Eigenschaften machen sie attraktiv und werden von vielen als die ultimative Option angesehen. Die schwierige Herstellung und das giftige Nebenprodukt Schwefelwasserstoff, das bei dem Prozess entsteht, machen die Kommerzialisierung jedoch relativ langsam. Polymersysteme sind einfach herzustellen, die meisten sind mit bestehenden Produktionsanlagen kompatibel, und einige sind bereits auf dem Markt. Die relativ hohe Betriebstemperatur, das niedrige Antioxidationspotenzial und die schlechtere Stabilität stellen jedoch eine Herausforderung dar. Oxidsysteme sind stabiler als Lithiummetall mit guter elektrochemischer und thermischer Stabilität. Der höhere Grenzflächenwiderstand und die kostspieligeren Herstellungsverfahren mit geringerer Ausbeute weisen jedoch im Allgemeinen auf einige Schwierigkeiten hin.

Wie funktioniert eine Festkörperbatterie?

Wie andere Batterien speichern auch Festkörperbatterien Energie und geben sie dann zur Stromversorgung von Geräten frei. Wie in einer Lithium-Ionen-Batterie funktioniert der Elektrolyt wie ein Übertragungszentrum, in dem sich die Lithium-Ionen mit der elektrischen Ladung bewegen, um entweder ein Gerät mit Strom zu versorgen oder die Batterie aufzuladen. Anstelle von flüssigen oder Polymergel-Elektrolyten, wie sie in Lithium-Ionen-Batterien zu finden sind, verwenden Festkörperbatterien jedoch einen festen Elektrolyten.

Beim Aufladen der Zelle wandern die Lithiumteilchen von der Kathode durch die Atomstruktur des Separators und bewegen sich dann zwischen den Separator und den elektrischen Kontakt der Anode, so dass sich eine feste Schicht aus reinem Lithium bildet.  Auf diese Weise besteht die Anode nur aus Lithiumpartikeln und hat ein kleineres Volumen als eine Anode der Lithium-Ionen-Technologie, welche die Graphitstruktur enthält.

Festkörperelektrolyte können mit Hochspannungskathodenmaterialien und Lithium-Metall-Anoden mit hoher Kapazität kompatibel sein. Es ist möglich, die Energiedichte auf über 1.000 Wh/L zu steigern.

Die meisten Festkörperelektrolyte haben jedoch eine höhere Dichte als der Polyolefin-Separator, insbesondere die anorganischen Festkörperelektrolyte. Außerdem sind sie in der Regel dicker als die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Separatoren. Wenn die Elektroden gleich bleiben (Graphitanode und Metalloxid-Schichtkathode), haben die meisten Festkörperbatterien eine geringere gravimetrische Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien.

Außerdem wird oft behauptet, dass das Wärmemanagementsystem bei Festkörperbatterien weggelassen werden kann, weil sie sicher sind. Dies ist jedoch nicht richtig. Festkörperbatterien haben möglicherweise einen anderen sicheren Betriebsbereich als Lithium-Ionen-Batterien. Wärmemanagementsysteme und viele andere Schutzmaßnahmen sind aber weiterhin erforderlich.

Vorteile

Welches sind die derzeitigen Stärken der Festkörperbatterietechnologie?

Festkörperbatterien gelten als der "heilige Gral", da ihnen viele Vorteile zugeschrieben werden. Zu diesen Vorteilen gehören bessere Sicherheit, höhere Energiedichte, längere Zyklenlebensdauer, längere Haltbarkeit, breiterer Betriebstemperaturbereich, enge Stapelung, vereinfachte Batteriekonstruktion, mögliche flexible mechanische Eigenschaften und vieles mehr. Festkörperbatterien haben aufgrund ihrer kompakten Größe eine höhere Energiedichte pro Flächeneinheit. Die Energiedichte einer Festkörperbatterie kann bis zu zehnmal größer sein als die einer Lithium-Ionen-Batterie gleicher Größe. Moderne Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge halten in der Regel zwischen 2.000 und 3.000 Zyklen, bevor sie sich merklich abnutzen, während Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte bis zu 10.000 Zyklen erreichen können.

Auf dem Papier versprechen Festkörperbatterien viele Verbesserungen gegenüber den derzeit auf dem Markt befindlichen Batterien. In der Tat scheinen Festelektrolyte eine höhere Energiedichte, eine längere Lebensdauer und eine größere Sicherheit zu bieten, und das alles bei geringerer Größe.

Es darf jedoch nicht vergessen werden, dass sich diese Technologie noch in der Entwicklungsphase befindet und dass Lithium-Ionen-Batterien nach wie vor die leistungsstärkste auf dem Markt erhältliche Technologie sind, mit einer Vielzahl von Chemikalien, die jeweils für unterschiedliche Zwecke verwendet werden, leicht verfügbar sind und in Massenproduktion hergestellt werden.

Einer der Schlüsselfaktoren ist die Sicherheit. Festkörperbatterien haben keinen flüssigen Elektrolyten, der in Lithium-Ionen-Batterien eine der schwierigsten Komponenten in Bezug auf die Sicherheit ist, da er flüchtig und daher leichter entflammbar ist. Außerdem wird er durch eine dickere Separatorschicht ersetzt, die aus einem Material besteht, das mechanisch widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen ist. Dies, weil diese eine keramische Zusammensetzung mit verschiedenen Zusätzen hat. Dadurch wird die Trennung zwischen Anode und Kathode zuverlässiger, so dass Kurzschlüsse verhindert werden, selbst bei Missbrauch oder Beschädigung, wodurch die Eigensicherheit der Zellen erhöht wird.

Ein weiterer Sicherheitsvorteil ist die größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Dendriten, d. h. den scharfen, ungleichmäßigen Anhäufungen von Lithium, die sich bei der Bewegung von der Kathode zur Anode bilden. Lithium bewegt sich nämlich nicht gleichmäßig, sondern neigt dazu, sich zu gruppieren und Punkte zu bilden, die wie echte Nadeln wachsen und in einigen extremen Fällen den Separator durchstoßen können. Dank ihrer Dicke sind feste Separatoren jedoch widerstandsfähiger gegen das Durchstechen von Dendriten und vermeiden so mögliche Kurzschlüsse und die allmähliche Verschlechterung der Zelle.

Rekord-Energiedichte.

Die größere Eigensicherheit trägt zu einer weiteren wichtigen Verbesserung bei: Die Verwendung einer Anode aus reinem Metall führt zu einer enormen Steigerung der Energiedichte. Dies ist im Wesentlichen auf den Wegfall der Graphitanode zurückzuführen, welche in Lithium-Ionen-Batterien die Ionen bei ihrer Wanderung enthält. In einer Festkörperbatterie verbleiben während des Transfers nur die Ionen, und es wird ein sperriger, schwerer Verbindungsteil entfernt, der nicht aktiv zur Energieerzeugung beiträgt. Jüngsten Studien zufolge haben Festkörperbatterien eine 2 bis 2,5-mal höhere Energiedichte als die derzeitige Lithium-Ionen-Technologie, und dieser enorme Vorteil würde zu einer leichteren und kleineren Batterie führen. Dies wäre sicherlich ein Durchbruch für die Elektromobilität, die von einer größeren Reichweite und einem geringeren Gewicht profitieren würde. Aber Gewissheit über diese Technologie gibt es erst, wenn sie offiziell einsatzbereit ist.

Ultra-schnelle Ladezeiten.

Festkörperbatterien sind in der Lage, bis zu sechsmal schneller zu laden als die derzeit auf dem Markt befindlichen Technologien. Aber auch diese Zahl ist noch ungewiss und hängt davon ab, wie diese neue Technologie entwickelt wird. Es gibt bereits Prototypen von Festkörperbatterien, die sich sehr schnell aufladen lassen, allerdings zu Lasten anderer entscheidender Faktoren für eine gute Leistung. Klar ist, dass flüssige Elektrolyte bei hohen Temperaturen eher leiden, während feste Elektrolyte im Gegensatz dazu bei hohen Temperaturen leistungsfähiger werden, was ihre Leistung beim Schnellladen unterstützen würde. Denn dies ist eine Betriebsphase, in der typischerweise viel höhere Temperaturen auftreten.

Schnellere Produktion.

Bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien ist das Befüllen der Zelle mit dem Elektrolyt ist ein Prozess, der viel Zeit in Anspruch nimmt. Die Zelle muss leer zusammengebaut werden und ein Loch haben, damit der Elektrolyt später eingefüllt werden kann. Dann muss man warten, bis der Elektrolyt vollständig aufgesaugt ist, und danach muss man ihn nachfüllen, um ihn auf das richtige Niveau zu bringen und zu versiegeln. Dieser Teil des Produktionsprozesses ist bei Lithium-Ionen-Batterien sehr aufwändig.

Bei der Produktion mit der Festkörpertechnologie könnte es echte Verbesserung und Optimierungen geben. Denn der Zusammenbau von festen Teilen ist natürlich im Gegensatz zu dem beschriebenen Füllprozess um einiges weniger Zeitintensiv und kompliziert. Und das würde tiefere Produktionskosten bedeuten, was sich auf einen tieferen Endpreis auswirken könnte.

Potenzial von Festkörperbatterien.

Eine Festkörperbatterie hat das Potenzial, die meisten der oben genannten Probleme der heutigen Lithium-Ionen-Batterie zu verbessern. Die Glas-Festkörperbatterie kann eine dreimal höhere Energiedichte aufweisen, indem eine Alkalimetallanode (Lithium, Natrium oder Kalium) verwendet wird, welche die Energiedichte einer Kathode erhöht und eine lange Zykluslebensdauer bietet. Es wird davon ausgegangen, dass ein Festkörperelektrolyt nicht brennbar oder zumindest resistent gegen Selbstentzündung ist. Die Nichtbrennbarkeit von Festkörperbatterien verringert auch das Risiko eines thermischen Durchgehens, was eine engere Verpackung der Zellen ermöglicht und folglich die Flexibilität der Konstruktion und die Volumendichte verbessert.

Darüber hinaus fanden Forscher heraus, dass ein Festglaselektrolyt auch bei Minusgraden von bis zu -20 °C funktioniert und eine hohe Leitfähigkeit beibehalten kann, was ein großes Manko von Standard-EV-Batterien behebt.

Die Verwirklichung dieser Vorteile kann zu einer viel breiteren Verwendung von Batterien im Verkehrswesen führen. Vor allem im Schwerlastverkehr und in der Schifffahrt werden erhebliche Auswirkungen erwartet. In der Schifffahrt ist eine größere Verbreitung rein batteriebetriebener Lösungen im Fähren- und Kurzstreckenseeverkehr die wahrscheinliche erste Maßnahme, gefolgt von einem verstärkten Einsatz von Hybridanwendungen in der Hochseeschifffahrt. Die Vorteile von Festkörperbatterien, insbesondere die Sicherheitsaspekte, können auch den Einsatz künftiger Luftfahrzeuge wie Drohnen für die Zustellung von Waren auf der letzten Meile, Lösungen für die städtische Luftmobilität und sogar größere Passagierflugzeuge erweitern.

Weitere Vorteile eines verstärkten Einsatzes dieser Batterien im Verkehrswesen sind eine höhere Effizienz der Energieumwandlung, weniger Lärm, geringere lokale Emissionen und weniger Treibhausgasemissionen, auch wenn erneuerbare Energiequellen verwendet werden. Angesichts all der versprochenen Vorteile sind viele Automobilhersteller (OEMs) auf den Zug der Festkörperbatterien aufgesprungen und haben sich an Batterieherstellern dieser Technologie beteiligt.

Nachteile und Herausforde-rungen

Die Technologie noch jung.

Trotz aller Vorteile hat sich die Festkörpertechnologie noch nicht durchgesetzt. Bereits vor einigen Jahren schien die Markteinführung unmittelbar bevorzustehen. Stattdessen ist der Durchbruch immer noch nicht erfolgt. Woran liegt das? Da diese Technologie noch sehr jung und noch nicht ausgereift ist wird sie ständig weiterentwickelt. Festkörperbatterien haben sich bisher als nur begrenzt haltbar erwiesen, da wiederholte Ladungen die Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem Festelektrolyten beschädigen und irreversible Veränderungen in der Kristallchemie der Elektroden verursachen.

Deshalb kann man die Grenzen, die es zu bewältigen gilt, als echte Herausforderungen bezeichnen und als wichtige neue Ziele, die es zu erreichen gilt. Dies führt zu Unsicherheiten und Bedenken hinsichtlich der hohen Produktionskosten und der Skalierbarkeit. Die Herausforderungen bei der Entwicklung bestehen darin, das Einbringen oder die Abscheidung der Festelektrolyte in ein Verfahren umzuwandeln, das mit den heutigen Herstellungspraktiken kompatibel ist, ohne die Haltbarkeit oder die Kosten des Endprodukts zu beeinträchtigen und gleichzeitig Vorteile wie eine bessere Energie- und Leistungsdichte, mehr Sicherheit und einen höheren Durchsatz zu bieten.

Stabilitätsprobleme.

Während des Ladens und Entladens ist es, als würde die Festkörperzelle atmen. Die Dicke der Lithium-Metall-Anode nimmt während des Ladens zu und während des Entladens ab, und wie bei allen instabilen Elementen führt dies schließlich zu einer Verschlechterung. Das Hauptproblem dabei besteht darin, dass es schwierig ist, die Festkörperzellen gleichzeitig zu fixieren und zu komprimieren. Eine Zelle muss komprimiert werden, damit sich die inneren Schichten nicht ablösen, aber es reicht nicht aus, sie an einer Halterung zu befestigen, da diese ständig "atmen" muss. Daher muss eine komplexe mechanische Struktur geschaffen werden: In den Prototypen der "Tisch"-Festkörperbatterien sind die Platten mit Federn versehen, die alles zusammenhalten, aber das ist ein komplexes und teures System, das nicht in Serie produziert werden kann.

Aufgrund ihrer Zusammensetzung ist es nicht möglich, das Anschwellen einer Festkörperzelle zu verhindern; die Forschung kann jedoch daran arbeiten, den Druck zu verringern (so dass die Zelle von sich aus stabil bleibt, ohne diesen Druck zu benötigen, aber vielleicht nur mit Hilfe eines Füllstoffs) oder fortschrittliche Materialien zu untersuchen, die es der Zelle ermöglichen, sich auszudehnen, während sie fest fixiert und komprimiert bleibt.

Der Separator funktioniert nur bei einer hohen Temperatur.

Ionen sind Materie, Atome, und daher ist es logisch, dass sie sich in einer Flüssigkeit leichter bewegen, während ein Festkörper wie ein keramischer Separator eine besondere Zusammensetzung haben muss, damit sich die Ionen frei bewegen können.

Es gibt bereits leistungsfähige Separatoren in diesem Sinne, aber nur bei hohen Temperaturen, denn feste Elektroden werden erst bei Temperaturen über 50 Grad zu guten Leitern. Diese Grenze führt dazu, dass die Festkörpertechnologie in realen Fahrzeugen noch kaum eingesetzt wird, weil man nicht davon ausgehen kann, dass die Batterie immer heiß ist. Wenn die Festkörperbatterie nicht heiß ist, sinkt ihre Leistung derzeit erheblich. Der Festelektrolyt muss auch bei niedrigeren Temperaturen immer gut funktioniert.

Die Lebenszyklen sind noch kurz.

Die Lebenszyklen der derzeit getesteten Festkörperbatterien sind noch kürzer als die anderer Lithium-Ionen-Technologien. Das Hauptproblem ist die Tatsache, dass es sehr schwierig ist, einen guten Kontakt zwischen allen Schichten der Zelle herzustellen. Wenn der Kontakt zwischen den Schichten abnimmt, verliert die Zelle an Kapazität und Leistung.

Hohe Kosten.

Die Kosten für eine Festkörperbatterie sind derzeit sehr hoch, da es sich um eine äußerst innovative Technologie handelt. Daher dürfen die Kosten sowohl für die Materialien als auch für die Produktionsverfahren etwas höher sein als bei Massenbatterien. Es ist noch nicht klar, wie hoch die endgültigen Kosten dieser Technologie sein werden. Man kann davon ausgehen, dass die großen Automobilhersteller, wenn sie in diese Technologie investieren, die Kosten an die Massenproduktion anpassen werden.

Forschung und Materialien

Es gibt sehr viele unterschiedliche Ansätze.

Festelektrolyten mit Lithium- und Natrium-Ionen-Materialien und mehreren Mischmetallen.

Ein Team des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der Florida State University hat ein neues Konzept für Festkörperbatterien entwickelt, die weniger abhängig von bestimmten chemischen Elementen sind, insbesondere von kritischen Metallen, deren Beschaffung aufgrund von Problemen in der Lieferkette schwierig ist. Ihre Arbeit, über die kürzlich in der Fachzeitschrift Science berichtet wurde, könnte zu effizienten und erschwinglichen Festkörperbatterien führen. Festkörperbatterien, die wegen ihrer hohen Energiedichte und überlegenen Sicherheit angepriesen werden, könnten für die Elektroautoindustrie eine entscheidende Neuerung darstellen. Doch die Entwicklung einer Batterie, die erschwinglich und gleichzeitig leitfähig genug ist, um ein Auto mit einer einzigen Ladung Hunderte von Kilometern zu betreiben, war lange Zeit eine große Hürde. Die neue Art von Festelektrolyt aus einer Mischung verschiedener Metallelemente ermöglichen einen leitfähigeren Festelektrolyten, der weniger von einer großen Menge eines einzelnen Elements abhängig ist.

In Experimenten am Berkeley Lab und an der UC Berkeley demonstrierten die Forscher den neuen Festelektrolyten, indem sie mehrere Lithium- und Natrium-Ionen-Materialien mit mehreren Mischmetallen synthetisierten und testeten. Sie stellten fest, dass die neuen Multi-Metall-Materialien besser abschnitten als erwartet und eine um mehrere Größenordnungen schnellere ionische Leitfähigkeit aufwiesen als die Ein-Metall-Materialien. Die Ionenleitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie schnell sich Lithium-Ionen bewegen, um elektrische Ladung zu leiten.

Die Forscher stellen die Theorie auf, dass durch das Mischen vieler verschiedener Metalle neue Wege geschaffen werden, durch die sich Lithiumionen schnell durch den Elektrolyten bewegen können. Ohne diese Wege würden sich die Lithium-Ionen nur langsam und begrenzt durch den Elektrolyten bewegen, wenn sie von einem Ende der Batterie zum anderen gelangen.

Um die Kandidaten für das Multi-Metall-Design zu überprüfen, führten die Forscher fortgeschrittene theoretische Berechnungen auf der Grundlage einer Methode namens Dichtefunktionaltheorie auf Supercomputern des National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) durch. Mit Hilfe von Rastertransmissionselektronenmikroskopen (STEM) an der Molecular Foundry bestätigten die Forscher, dass jeder Elektrolyt aus nur einer Art von Material besteht - was die Wissenschaftler als "einphasig" bezeichnen - mit ungewöhnlichen Verzerrungen, die zu den neuen Ionentransportwegen in seiner Kristallstruktur führen. 

Elektrolyt aus Lithium, Scandium, Indium und Chlor.

Forscher der University of Waterloo (Kanada) haben einen Festelektrolyten auf der Grundlage einer Spinellstruktur entwickelt, der mehrere der oben genannten Kriterien erfüllt. Der Elektrolyt besteht aus Lithium, Scandium, Indium und Chlor und weist eine hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeit auf, verhindert aber gleichzeitig den Durchgang von Elektronen. Die Forscher behaupten, dass diese Kombination entscheidend ist, um eine Festkörperbatterie zu schaffen, die ohne nennenswerten Kapazitätsverlust für mehr als hundert Zyklen bei hoher Spannung (über 4 Volt) und Tausende von Zyklen bei mittlerer Spannung funktioniert.

Das Team führt die Einbeziehung von Chlorid in den Elektrolyten als Schlüssel zur Stabilität bei Betriebsbedingungen über 4 Volt an. Alternative, auf Sulfid basierende Festkörperelektrolyte können oberhalb von 2,5 Volt oxidieren und zerfallen. Diese erfordern eine isolierende Beschichtung um das Kathodenmaterial, die oberhalb von 4 Volt funktioniert und den Fluss von Elektronen und Lithiumionen zwischen dem Elektrolyten und der Kathode begrenzt.

Es scheint, dass das Team den klugen Schritt gemacht hat, seine Entwicklung zu schützen (über die Patentanmeldung WO 2021/198183 A1, eingereicht im März 2021). Die internationale (PCT) Anmeldung bezieht sich auf einen Festelektrolyten für die Energiespeicherung, der auf einem kristallinen Feststoff basiert, der hauptsächlich aus einer einzigen Spinellphase besteht. Die Anmeldung beschreibt eine Spinellstruktur mit einer ungeordneten Lithium-Ionen-Verteilung über verfügbare tetraedrische und oktaedrische Plätze innerhalb des Gitters. Die gemeinsame Inhaberschaft an potenziellen Patentrechten wirft interessante kommerzielle Fragen auf - ein wichtiger Punkt ist, dass die meisten Länder die Kommerzialisierung von Rechten im gemeinsamen Besitz einschränken, was ein Problem darstellen könnte, wenn die Technologie weit verbreitet werden soll. Es bleibt zu hoffen, dass die Miteigentümer einen gut vorbereiteten Miteigentümervertrag haben, in dem ihre kommerziellen Verpflichtungen und Verantwortlichkeiten klar festgelegt sind.

In jedem Fall ist der Erfolg der Technologie von entscheidender Bedeutung. Wenn diese neue Spinellstruktur einen soliden Weg zu einer leistungsstarken Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie bietet, sind alle Miteigentümer gut aufgestellt, um ihre kommerzielle Position zu maximieren, nachdem sie den wichtigen Schritt unternommen haben, den geistigen Aufwand, die Entwicklungszeit und die Kosten durch eine Patentanmeldung zu schützen. 

Festelektrolyten und negative Elektrode kombiniert optimierte Anteile von Lithiumtitanat und Lithiumvanadiumdioxid.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Naoaki Yabuuchi von der Yokohama National University in Japan testete ein neues positives Elektrodenmaterial in einer reinen Festkörperzelle, indem es mit einem geeigneten Festelektrolyten und einer negativen Elektrode kombiniert wurde.

Ihre Arbeit, die in einem in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlichten Bericht detailliert beschrieben wird und an der Associate Professor Neeraj Sharma von der UNSW in Australien mitgewirkt hat, zeigt, dass die Zelle eine "bemerkenswerte Kapazität" von 300 mAh/g (Milliamperestunden pro Gramm Masse) aufweist, die sich über 400 Lade-/Entladezyklen nicht verschlechtert. Die Tatsache, dass die Kapazität über 400 Zyklen hinweg nicht nachlässt, ist ein deutlicher Hinweis auf die überlegene Leistung dieses Materials im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperzellen mit geschichteten Materialien. Diese Erkenntnis könnte die Batteriekosten drastisch senken. Die Entwicklung praktischer Hochleistungs-Festkörperbatterien kann auch zur Entwicklung fortschrittlicher Elektrofahrzeuge führen.

Das vom Forschungsteam verwendete Material kombiniert optimierte Anteile von Lithiumtitanat (Li2TiO3) und Lithiumvanadiumdioxid (LiVO2). Bei der richtigen Partikelgröße - in der Größenordnung von Nanometern – bei der die große Menge an Lithiumionen des Materials während des Lade-/Entladevorgangs reversibel eingebaut und entnommen werden kann, führt zu einer hohen Kapazität. Noch wichtiger ist jedoch, dass das Material bei vollständiger Ladung und Entladung nahezu das gleiche Volumen aufweist - eine herausragende Eigenschaft, die zu einer verbesserten Haltbarkeit führt. Wenn sich Schrumpfung und Ausdehnung die Waage halten, bleibt die Formstabilität erhalten, während die Batterie geladen oder entladen wird, d. h. während eines jeden Zyklus. Das Forschungsteam geht davon aus, dass ein wirklich dimensionsstabiles Material, das sein Volumen bei elektrochemischen Zyklen beibehält, durch weitere Optimierung der chemischen Zusammensetzung des Elektrolyten entwickelt werden kann. 

Festkörperbatterie mit reiner Silikonanode.

Ingenieure der University of California San Diego haben in Zusammenarbeit mit LG Energy Solution eine neue wiederaufladbare Festkörperbatterie entwickelt. Die Wissenschaftler kombinierten einen festen Sulfidelektrolyten und eine Siliziumanode in einem Gerät und verzichteten dabei vollständig auf Lithium und Kohlenstoff. Die Batterie hat in Tests ihre Sicherheit, Haltbarkeit und hohe Energieintensität bewiesen. Der Prototyp überstand 500 Lade- und Entladezyklen und behielt bei Raumtemperatur eine Kapazität von 80 %. Die Technologie eröffnet große Perspektiven für den Elektroverkehr, die Energiespeicherung und andere Bereiche. 

Das neue Elektroden-Design des MIT.

MIT-Forscher haben gemischte ionen-elektronische Leiter (MIECs) sowie elektronische und Lithium-Ionen-Isolatoren entwickelt. Es handelt sich um eine 3D-Wabenarchitektur mit MIEC-Röhren im Nanomaßstab. Die Röhren sind mit Lithium gefüllt, das die Anode bildet. Ein wichtiger Teil dieser Entdeckung ist, dass die Wabenstruktur es dem Lithium ermöglicht, sich während des Ladens und Entladens auszudehnen und zusammenzuziehen. Durch diese Atmung der Anode werden Risse in der Batterie vermieden. Die Beschichtung der Rohre dient als Barriere, um sie vor dem festen Elektrolyten zu schützen. Diese Anordnung der Festkörperbatterie verhindert das Einspritzen von Flüssigkeit oder Gel und vermeidet somit Dendriten. 

Samsung.

Samsung SDI arbeitet derzeit an der Entwicklung der Festkörperbatterie. Die Batterie wird gemeinsam mit anderen Instituten wie dem Samsung Advanced Institute of Technology, dem Samsung R&D Institute Japan und anderen entwickelt. 

Samsung SDI präsentiert seit 2013 mittel- bis langfristige Festkörperbatterietechnologien auf Automobilmessen oder Batterieausstellungen. Man befinde sich derzeit in der Phase der Entwicklung der Elementtechnologie für die Kommerzialisierung. Vor zwei Jahren stellte Samsung eine leistungsstarke und langlebige Festkörperbatterie vor. Der Prototyp der Batterie kann ein Elektrofahrzeug mit einer einzigen Ladung bis zu 800 km weit fahren und hat eine Lebensdauer von mehr als 1.000 Ladezyklen. Die Studie über die Technologie, welche die Lebensdauer und Sicherheit erhöht und die Größe einer Festkörperbatterie um die Hälfte reduziert, wurde in der Zeitschrift "Nature Energy" veröffentlicht, einer weltweiten wissenschaftlichen Zeitschrift. Samsung sagt, man müsse die Festkörperbatterie weiterentwickeln, um ein Elektroauto zu bauen, das weiter reicht und sicher fährt. Da wir uns noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden, kann es noch viele Hindernisse geben, aber Samsung SDI wird sein Bestes geben, um die "Super-Gap"-Technologie zu entwickeln. 

NASA Festkörperbatterien.

Im Rahmen der SABERS-Aktivität wird von der NASA eine Festkörperbatterie für den Einsatz in der Luftfahrt entwickelt. Es geht um eine brandneue Kathode, die das SABERS-Team für seine Festkörperbatterie entwickelt hat. Die NASA-Forscher machen vielversprechende Fortschritte bei der Entwicklung eines innovativen Batteriepakets, das leichter, sicherer und leistungsfähiger ist als Batterien, die heute in Fahrzeugen und großen elektronischen Geräten verwendet werden. Ihre Arbeit - Teil des Engagements der NASA für eine nachhaltige Luftfahrt - zielt darauf ab, die Batterietechnologie zu verbessern, indem sie den Einsatz von Festkörperbatterien für Luftfahrtanwendungen wie elektrisch angetriebene Flugzeuge und Advanced Air Mobility untersuchen.

Festkörperbatterien können mehr Energie speichern und in stressigen Umgebungen besser funktionieren als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Das ist gerade in der Raumfahrt-Technologie ein wichtiger Aspekt. Nach einigen Jahren erfolgreicher Arbeit im Rahmen einer NASA-Aktivität mit dem Namen Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety (SABERS) hat die Forschung nun großes Interesse bei Behörden, Industrie und Hochschulen geweckt. Die SABERS-Forscher haben sich deshalb mit mehreren Organisationen sowie mit anderen Projekten innerhalb der NASA Aeronautics zusammengeschlossen, um die Entwicklung der widerstandsfähigeren Batterie fortzusetzen. SABERS übertrifft weiterhin seine Ziele und ist bei der Batterieforschung bald bei einem Durchbruch für eine Festkörperbatterie, die viel mehr leisten kann als Lithium-Ionen-Batterien.

Um ein Elektroflugzeug anzutreiben, muss die Batterie ihre Energie mit einer außerordentlich hohen Geschwindigkeit entladen können. Zu diesem Zweck hat SABERS mit innovativen neuen Materialien experimentiert, die bisher noch nicht in Batterien verwendet wurden, was zu erheblichen Fortschritten bei der Energieentladung geführt hat. Im vergangenen Jahr gelang es dem Team, die Entladungsrate der Batterie um den Faktor 10 und dann noch einmal um den Faktor 5 zu erhöhen, wodurch die Forscher ihrem Ziel, ein großes Fahrzeug mit Strom zu versorgen, ein Stück näher kamen.

Das SABERS-Team erkannte, dass die Solid-State-Architektur es ihnen ermöglichte, die Konstruktion und die Verpackung ihrer Batterie zu ändern, um Gewicht zu sparen und die speicherbare Energie zu erhöhen - die Größe des Batterieeimers aus der früheren Analogie. Anstatt jede einzelne Batteriezelle in einem eigenen Stahlgehäuse unterzubringen, wie es bei Flüssigbatterien der Fall ist, können alle Zellen in der SABERS-Batterie vertikal in einem Gehäuse gestapelt werden. Unter anderem dank dieses neuartigen Designs hat SABERS gezeigt, dass Festkörperbatterien Objekte mit der enormen Kapazität von 500 Wattstunden pro Kilogramm versorgen können - doppelt so viel wie ein Elektroauto. Dieses Design spart nicht nur 30 bis 40 Prozent des Batteriegewichts ein, sondern ermöglicht auch eine Verdoppelung oder sogar Verdreifachung der speicherbaren Energie, was die Fähigkeiten von Lithium-Ionen-Batterien bei weitem übertrifft.

Eine weitere wichtige Voraussetzung für den Einsatz von Batterien in Elektroflugzeugen ist die Sicherheit. Im Gegensatz zu Flüssigbatterien fangen Festkörperbatterien bei Fehlfunktionen kein Feuer und können auch bei Beschädigung noch funktionieren, was sie für den Einsatz in der Luftfahrt attraktiv macht. Die SABERS-Forscher haben ihre Batterie unter verschiedenen Drücken und Temperaturen getestet und festgestellt, dass sie bei Temperaturen arbeiten kann, die fast doppelt so hoch sind wie die von Lithium-Ionen-Batterien, und das ohne so viel Kühltechnik. Das Team testet sie weiterhin unter noch heißeren Bedingungen.

Europäische F&I-Aktivitäten zu Festkörperbatterien im Rahmen des Programms Horizon Europe.

Innovationen im Bereich fortschrittlicher Materialien tragen zur Schaffung einer nachhaltigen europäischen Wertschöpfungskette für die Batterieherstellung bei und sichern die Zukunft der Gigafabriken. Die europäische Finanzierung der Forschung an Festkörperelektrolyten wurde bereits in einem der Arbeitsprogramme 2019 im Rahmen des Programms Horizont 2020 eingeleitet. Die Anforderungen für Festkörperbatterien wurden wie folgt definiert:

• Gravimetrische Energiedichte: auf Zellebene von 400+ Wh/kg
• volumetrische Energiedichte: auf Zellebene 800+ Wh/l (Gen 4a) mit einer Steigerung auf 1000+ Wh/l (Gen 4b und 4c)
• Lebensdauer bis zu 3000 Zyklen
• Laderäte: 3-5C
• Kosten: auf Packungsebene 75 EUR/kWh

Europa will sich im internationalen Wettlauf um Festkörperbatterie-Technologien der nächsten Generation über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg an die Spitze der industriellen Produktion zu bringen. Die vorgeschlagenen technologischen Fortschritte in der Produktion sollten auf die Kernkomponenten von Festkörperbatterien ausgedehnt werden, vom Elektrolyten bis zur Li-Metall-Anode, wobei die Umweltziele wie geringe Emissionen und ein niedriger Kohlenstoff-Fußabdruck beibehalten werden sollen.

Das Thema erfordert die Entwicklung und die Neuerfindung von Verarbeitungsrouten, wie z. B. die Suche nach neuen Ansätzen für die Kompatibilitätsherausforderungen, die sich aus der Elektroden-Elektrolyt-Beschichtung ergeben. Die Integration der Digitalisierung in Produktionslinien ist ein weiteres entscheidendes Element, um eine wirtschaftliche Produktion mit angemessenen Produktkosten zu ermöglichen.

Entwicklung

Jahrelange Forschung.

Festkörperbatterien sind keine Science-Fiction, ganz im Gegenteil! Sie sind bereits Realität in kleinen Anwendungen, wie bestimmten Verbraucherbatterien oder einigen Fahrzeugen wie Bussen, die für eine intensive Nutzung geeignet sind und bei denen die Batterie den ganzen Tag über ununterbrochen benutzt wird und trotz ihrer Hitze ohne große Probleme funktioniert.

Regierungen, Forschung und Hochschulen haben viel in die Erforschung und Entwicklung von Festkörperbatterien investiert, da die für viele kommerzielle Batterien vorgesehenen flüssigen Elektrolyte anfälliger für Überhitzung, Feuer und Ladeverlust sind. Viele der bisher konstruierten Festkörperbatterien basieren jedoch auf bestimmten Metallen, die teuer und nicht in großen Mengen verfügbar sind.

Nach jahrelanger Entwicklung wurden einige wenige Festkörperbatterien auf den Markt gebracht, und weitere befinden sich in der Entwicklung. Gleichzeitig wird angesichts der kontinuierlichen Verbesserung von Li-Ionen-Batterien darüber diskutiert, welche Technologien die Ressourcen und Investitionen wert sind. Es gibt einen Hype um Festkörperbatterien, da sie manchmal als definitiver Ersatz für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien angepriesen werden.

Materialien.

Die Zellchemie von Festkörperzellen ist im Allgemeinen die gleiche wie die von Zellen mit flüssigen Elektrolyten. Zu den Anodenmaterialien gehören Kohlenstoff, Titanate, Lithiumlegierungen und metallisches Lithium; Kathodenmaterialien sind Oxide auf Li-Basis (LCO, NCA) und Phosphate (LFP), Vanadiumoxid [51] und zukünftige mikrostrukturelle 5-V-Materialien. Als Polymerelektrolyte werden hauptsächlich PEO mit Leitsalzen wie [LiCF3SO2)2N] (LiTFSI) verwendet. Als keramische Elektrolyte sind vor allem LiPON, Li10GeP2S12 oder Li2S-P2S5 möglich. Elektroden aus Nanopartikeln von Übergangsmetalloxiden (MO, wobei M für Co, Ni, Cu oder Fe steht) weisen elektrochemische Kapazitäten von 700 mA h/g auf, mit 100 % Kapazitätserhalt für bis zu 100 Zyklen und hohen Wiederaufladeraten. Der Mechanismus der Li-Reaktivität unterscheidet sich von den klassischen Li-Insertions-/Deinsertions- oder Li-Legierungsprozessen und hängt mit der Bildung und Zersetzung von Li2O bzw. mit der Reduktion und Oxidation von Metallnanopartikeln (im Bereich von 1-5 nm) zusammen. Es wird erwartet, dass die Verwendung von Übergangsmetall-Nanopartikeln zur Erhöhung der elektrochemischen Reaktivität der Oberfläche zu einer weiteren Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien führen wird.

Herausforderungen.

Die Ionenleitfähigkeit von Polymerelektrolyten (10-6...10-5 S cm-1) ist bei Raumtemperatur schlecht (Abb. 2.13); eine moderate Li-Ionen-Leitfähigkeit wird bei 60-100°C erreicht. Keramische Festelektrolyte (10-4 bis 10-3 S cm-1) kommen den flüssigen organischen Elektrolyten nahe, leiden aber unter dem schlechten Kontakt zwischen Festelektrolyt und fester Elektrodenzwischenphase und dem Korngrenzenwiderstand, der oft den Volumenwiderstand dominiert. Um diese Effekte zu überwinden, werden Dünnschichtzellen mit einer Dicke von etwa 0,1 mm entwickelt, das ist ein Zehntel der Dicke der dünnsten prismatischen Li-Ionen-Zelle mit Flüssigelektrolyt. Hybridelektrolyte bestehen aus einem Festkörperelektrolyten und einer kleinen Menge eines Flüssigelektrolyten. 

Festkörperelektrolyt-Patente.

Festkörperelektrolyte können in organische Systeme, feste Polymersysteme und Verbundpolymerelektrolyte unterteilt werden. Für alle drei Materialtypen sind erhebliche Patentaktivitäten zu verzeichnen, da die Innovatoren darum wetteifern, ein festes Medium zu entwickeln, das alle wichtigen Leistungsmerkmale erfüllt, darunter:

• Ionenleitfähigkeit (für den Ionentransport zwischen Elektroden)
• hohe elektrische Energiedichte (z. B. für eine hohe Reichweite von Elektrofahrzeugen)
• hohe Leistungsdichte (für schnelle Lade- und Entladeraten)
• lange Zyklenlebensdauer (um eine schnelle Degradation der Batterie zu vermeiden)
• mechanische und elektrochemische Stabilität (um großen Volumenschwankungen innerhalb der Zelle standzuhalten)
• Skalierbarkeit (hochentwickelte 3D-gedruckte Festelektrolyte haben zwar eine hohe Energiedichte und Ionenleitfähigkeit bewiesen, aber die Skalierung der Produktion kann eine Herausforderung sein)

Die Entwicklung von Festkörperbatterien ist vielversprechend. Sie ist deshalb mit hohen Erwartungen verbunden. Wenn Festkörperbatterien erst einmal perfektioniert sind, könnten sie der Schlüssel zur Elektrifizierung auch von anspruchsvolleren Sektoren sein, die derzeit aufgrund der begrenzten Energiedichte noch nicht auf fossile Brennstoffe verzichten können. Forschungs- und Entwicklungsabteilungen verfolgen diese neue Technologie mit großem Interesse. Man testet und untersucht jeden Tag neue Materialien und Methoden.

Sicher ist, dass sich echte Festkörperbatterien für den Einsatz in Kraftfahrzeugen noch im Versuchsstadium befinden. Und es gibt große Herausforderungen, die noch nicht gelöst sind. Die Massenproduktion ist bisher noch sehr einschränkt möglich. Viele Automobilhersteller sind jedoch an dieser vielversprechenden Technologie interessiert, wie z. B. Mercedes, Volkswagen, Toyota und viele andere, die enorme Mittel in die Erforschung und Entwicklung dieser Technologie investieren. Sie werden die ersten sein, die über die endgültige Technologie verfügen werden, die bereits für 2024 bis 2026 angekündigt ist. Dies natürlich, sofern die heutigen Probleme überwunden werden.

Bisher gab es jedoch ein ungelöstes Problem bei Festkörperbatterien, das deren Haltbarkeit einschränkte. Wenn Lithiumionen in die Elektroden der Batterie eingebracht oder aus ihnen entnommen werden, verändert sich die kristalline Struktur des Materials, wodurch sich die Elektrode ausdehnt oder zusammenzieht. Diese wiederholten Volumenveränderungen beschädigen die Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem Festelektrolyten und führen zu irreversiblen Veränderungen in der Kristallchemie der Elektroden.

Ionenleiter

Funktionelle Materialien.

Die Erfindung neuer funktioneller Materialien ist für den Fortschritt der Technologien, welche die Gesellschaft auf dem Weg in eine kohlenstoffneutrale Zukunft voranbringen werden, von entscheidender Bedeutung. Elektrodenmaterialien haben eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Batterietechnologien gespielt. Die riesige Anzahl von Zusammensetzungen, die im Periodensystem potenziell zur Verfügung stehen, stellt für die Wissenschaft eine überwältigende Herausforderung dar, neue Batterieelektroden zu finden. Die Festkörperchemie ist die Kunst, die gewünschten atomaren Anordnungen auf der Grundlage der im Periodensystem verborgenen Informationen zu erstellen.

Diese Entdeckungen eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Ionenleitern der nächsten Generation. Der nächste Schritt in dieser Forschung ist die Anwendung des neuen Ansatzes, um neuartige Festelektrolytmaterialien zu erforschen und zu entdecken, welche die Batterieleistung noch weiter verbessern können. Festkörperbatterien auf der Basis von keramischen schnellen Ionenleitern werden aufgrund ihrer höheren Energie- und Leistungsdichte, ihrer Sicherheit und ihres breiten elektrochemischen Stabilitätsfensters im Vergleich zu den derzeitigen organischen Polymerelektrolytbatterien als der zukünftige Stand der Energiespeichertechnologie angesehen. Die Volumenänderung der Elektroden und die Bildung unerwünschter Produkte führen zu einem hohen Grenzflächenwiderstand, der die elektrochemische Leistung der Batterie beeinträchtigt. Daher ist ein besseres Verständnis der funktionellen Eigenschaften von Festelektrolyten und Elektroden von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der nächsten Generation robuster Festkörper-Li-Batterien für Transport- und Netzanwendungen.

Graphitelektrode.

Zwei Arten von Lithium-Feststoffelektrolyten zeigten gute Eigenschaften für die Graphitelektrode. Der Elektrolyt ist eine Kombination aus Li-Li2S-P2S5-Glas in Kontakt mit dem negativen Elektrodenmaterial und Li3PO4-Li2S-SiS2-Glas oder kristallinem Li2S-GeS2-P2S5-Material in Kontakt mit der positiven Elektrode. Der erste Elektrolyt war stabil gegenüber elektrochemischer Reduktion, die beiden letzteren gegenüber Oxidation. Diese Kombination ermöglichte es, Graphit als negative Elektrode zu verwenden. Die Energiedichte der LiCoO2/SE1/SE2/C-Batterie ist mit der kommerzieller Li-Ionen-Batterien vergleichbar. Aufgrund der höheren elektrochemischen Stabilität können Kathoden mit hohem Potenzial und sogar metallisches Li als Anode verwendet werden, was zu einer höheren spezifischen Energie führt. Allerdings schmilzt Lithium bei ∼180°C. 

Ionenleitfähigkeit von Chalkogenidgläsern.

Festelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit begrenzen den ohmschen Abfall an den Elektroden. In diesem Sinne waren lithiumleitende Chalkogenidgläser ausgezeichnete Kandidaten mit einer Leitfähigkeit, die 10-100 mal höher ist als die ihrer Oxid-Gegenstücke. Mehrere Festkörperbatterien mit lithiumleitendem Chalkogenidglas oder Glaskeramik als Festelektrolyt wurden entwickelt. Die Dünnschichttechnologie wurde ebenfalls in Betracht gezogen, um wiederaufladbare miniaturisierte Li-Batterien mit Li+ leitenden amorphen Chalkogenidfilmen als Elektrolyt zu entwickeln.

Es gibt verschiedene analytische Techniken, die bei der Analyse von Batteriematerialien eingesetzt werden:

• Massenspektrometrie, wie ICP-OES & ICP-MS, GC-MS, IC-MS
• Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS)
• Elektronenmikroskopie (SEM & TEM)
• Molekularspektroskopie, wie FTIR, Raman und NIR
• Mikro-Computertomographie (microCT)
• Kernspinresonanz (NMR)
• Röntgenbeugung, Röntgenfluoreszenz
• Rheometrie, Viskosimetrie und Extrusion

Die Festkörpertechnologie wird in der Entwicklung noch sehr hohe Kosten verursachen, die bis zum Jahr 2026 zwischen ~$800/kWh und ~$400kWh liegen werden. Die vergleichsweise hohen Kosten können die Produktion und Verbreitung von Festkörperbatterien erheblich behindern. Mit verbesserter Leistungsdichte und niedrigeren Kosten könnten jedoch im Jahr 2032 bereits 50 % aller neu verkauften Personenkraftwagen mit der Festkörpertechnologie elektrisch betrieben werden. Mit einem Marktdurchbruch von Festkörperbatterien werden diese Zahlen wahrscheinlich noch weiter steigen.

Anwendungen

Die Effizienz von Fahrzeugen steigern.

Festkörperbatterien können bereits in naher Zukunft enorme Vorteile bieten und die Leistung sowie die Effizienz von Fahrzeugen steigern. Dies könnte den Elektrifizierungssektor der Automobilindustrie weiter vorantreiben.

Welches werden die Hauptanwendungsgebiete von Festkörperbatterien sein?

Auch wenn die Entwickler von Festkörperbatterien noch einige Probleme zu lösen haben, ist ihr Markteintritt sicher. Es ist zu erwarten, dass Festkörperbatterien in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen die Energiedichte bisher ein limitierender Faktor ist. Energiedichte geht mit Platzbedarf einher.

Dort, wo heute der Platz nicht ausreicht, um die gesamte benötigte Energie zu speichern, haben Festkörperbatterien eine gute Chance, den Markt zu erobern. Da sie eine doppelt so hohe Energiedichte haben, werden die Festkörperbatterien die Reichweite verdoppeln und gelten heute als die Zukunft des Automobilmarktes und ganz allgemein des gesamten Verkehrs.

Auch der Industriemaschinen- und der Elektrofahrzeugsektor blicken mit Interesse auf diese neue Technologie: Dies gilt für sehr energieintensive Maschinen oder schwere Fahrzeuge, die oft eine große Reichweite benötigen und bei denen bisher das Volumen im Vergleich zur Energiemenge, die genutzt werden könnte, gering ist.

Die Einführung der Festkörperbatterietechnologie könnte durchaus sinnvoll sein, um die Kategorie der elektrifizierten Fahrzeuge weiter auszubauen. Wenn die Festkörperzellen mit ihrer hohen Energiedichte in jeder Hinsicht wettbewerbsfähig werden, könnten sie zweifellos auch für die Zukunft der industriellen Elektrifizierung einen gangbaren Weg darstellen.

Elektromobilität

CO2-Emissionen Mobilitätsprodukte eliminieren.

Das Erreichen der Klimaziele basiert auf der Annahme, dass wir die CO2-Emissionen unserer Mobilitätsprodukte eliminieren. Elektrofahrzeuge sind einer der wichtigsten Ansätze, um dieses Ziel zu erreichen. Elektroautos gelten auch weithin als unsere beste Chance, herkömmliche Autos durch eine umweltfreundlichere Alternative zu ersetzen. Allerdings werden Elektroautos und andere Elektrofahrzeuge heute mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, die derzeit nicht die erforderliche Leistung und Haltbarkeit zu einem vernünftigen Preis bieten.

Lithium-Ionen-Batterien haben aber den Markt in den letzten drei Jahrzehnten dominiert. Ihre Anwendung in Elektrofahrzeugen hat jedoch trotz Marktdominanz einige Nachteile. Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge können nicht häufig aufgeladen werden, so dass die Fahrer gezwungen sind, mit einer einzigen Ladung zu fahren. Außerdem können Lithium-Ionen-Batterien Brände oder Explosionen auslösen, da sie brennbare flüssige Elektrolyte enthalten.

Intelligente und neuartige Zelldesigns verbesserten die Qualität von Lithium-Ionen-Batterien durch die Anpassung fortschrittlicher Fertigungstechnologien zu geringeren Kosten. Die kontinuierlichen Bemühungen zur Optimierung der Materialeigenschaften haben zu raschen Fortschritten bei der Energiedichte und der Erschwinglichkeit von Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt geführt, die in Elektrofahrzeugen und als stationäre Speicher im Stromnetz eingesetzt werden. Dennoch wird davon ausgegangen, dass die Grenzen von Lithium-Ionen-Batterien bald erreicht sein werden.

Trotz der in den letzten Jahren verbesserten Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterie-Zellen ist die Leistungsfähigkeit (z. B. Energiedichte und Ladezeit) der Zellen nur geringfügig gestiegen, was den Bedarf an alternativen Technologien oder Technologien der nächsten Generation zeigt. Darüber hinaus werden Sicherheitsaspekte aufgrund des Vorhandenseins von organischen und entflammbaren Elektrolyten in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien zu einem Problem, das eine Reihe von Anwendungen davon abhält, ihre Brennstoffquelle durch Batterien zu ersetzen.

Marktforschungsunternehmen gehen allgemein davon aus, dass Elektroautos Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ersetzen und zum Mainstream in der Autoindustrie werden. Um die unbestrittene Führungsposition in der Branche einzunehmen, sollten E-Fahrzeuge eine ähnlich hohe Kilometerleistung wie die derzeitigen Verbrennungsfahrzeuge haben, und dafür ist es wichtig, die Batteriekapazität einer E-Fahrzeug-Batterie zu erhöhen. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Kapazität zu erhöhen. Die erste ist die Erhöhung der Anzahl der Batterien. In diesem Fall steigt jedoch der Preis der Batterie, und die Batterien nehmen viel Platz im Fahrzeug ein. Die zweite ist die Entwicklung von Festkörperbatterien.

Eine Festkörperbatterie kann die Energiedichte pro Flächeneinheit erhöhen, da nur eine geringe Anzahl von Batterien benötigt wird. Aus diesem Grund ist eine Festkörperbatterie perfekt geeignet, um ein EV-Batteriesystem aus Modul und Pack zu bauen, das eine hohe Kapazität benötigt.

Obwohl es bereits viele Elektroautos auf dem Markt gibt, sind sie derzeit aufgrund von Problemen wie begrenzter Reichweite und hohen Preisen noch nicht voll verbreitet. Um diese Probleme zu lösen, muss die Leistung der Batterien deutlich verbessert werden. Bei der Entwicklung von Festkörperbatterien will man die Technologie nicht nur auf Laborniveau etablieren. Es geht vielmehr um die Technologie der Festkörperbatterien mit Blick auf die Massenproduktion, die es ermöglichen wird, den Kunden leistungsstarke Elektrofahrzeuge zu erschwinglichen Preisen anzubieten.

Auf der Suche nach Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien haben Festkörperbatterien eine Verbesserung der Betriebssicherheit - da sie bei einer Panne keine giftigen Flüssigkeiten auslaufen lassen - und der Ladegeschwindigkeit gebracht. Es gibt jedoch verschiedene Durchbrüche bei der Herstellung langlebiger Festkörperbatterien, welche die Kosten von Elektrofahrzeugen "drastisch senken" und sie gleichzeitig viel schneller wieder aufladen könnten. Festkörperbatterien (Solid-State-Batteries, SSB) stellen deshalb gerade für die Elektromobilität eine überzeugende Leistungsperspektive dar und versprechen eine wettbewerbsfähige Alternative zu den derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten.

Können Festkörperbatterien Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen ersetzen?

Festkörperbatterien (All-Solid-State-Batterien) sind eine der vielversprechendsten Lösungen für die zukünftige Generation von Batterien. Ihre hohe thermische Stabilität macht sie deutlich sicherer und langlebiger als herkömmliche Batterien für Elektrofahrzeuge. Theoretisch können Festkörperbatterien die Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen ersetzen. BMW, Ford, Toyota und Volkswagen gehören zu den Automobilherstellern, die bereits in diese Technologie investiert haben. Allerdings werden Festkörperbatteriezellen derzeit in einzelnen Exemplaren in Labors hergestellt, und die Massenproduktion ist ein teures und unterentwickeltes Verfahren.

Festkörperbatterien haben eine viel höhere thermische Stabilität und können 50 % mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Batterien. Darüber hinaus sind Lithium-Ionen-Batterien in erheblichem Maße von Nickel und Kobalt abhängig, bei denen es zu Lieferengpässen und Preissteigerungen kommt.

Elektroauto-Hersteller und Zulieferanten bei der Entwicklung von Festkörperbatterien:

Nissan-Renault-Mitsubishi

Nissan, Renault und Mitsubishi haben angekündigt, zusammen 23 Milliarden Euro in Elektrofahrzeuge zu investieren. Darüber hinaus beabsichtigt die Allianz, bis Mitte 2028 eine umfassende kommerzielle Herstellung von Festkörperbatterien zu erreichen. Die Partner sind der Ansicht, dass der Übergang zu Festkörperbatterien die Kosten von Elektrofahrzeugen und herkömmlichen Fahrzeugen angleichen wird.

Toyota

Der japanische Hersteller Toyota beobachtet die Festkörperbatterie-Industrie seit Jahren und hält sogar die meisten Patente für Festkörperbatterien. Der größte Automobilhersteller der Welt hat jedoch den Einsatz erhöht, indem er erklärte, bis 2030 mehr als 13,5 Milliarden Dollar in die Entwicklung von Festkörperbatterien der nächsten Generation investieren zu wollen.

Samsung

Vor zwei Jahren stellte Samsung eine leistungsstarke und langlebige Festkörperbatterie vor. Der Prototyp der Batterie kann ein Elektrofahrzeug mit einer einzigen Ladung bis zu 800 km weit fahren und hat eine Lebensdauer von mehr als 1.000 Ladezyklen.

QuantumScape

QuantumScape gilt als führend auf dem Gebiet der Festkörperbatterien. Das Unternehmen mit Sitz in San Jose, Kalifornien, wird von Volkswagen, Bill Gates und SAIC Motors unterstützt. QuantScape hat bereits eine Festkörperbatterie entwickelt, die in weniger als 15 Minuten von 0 auf 80 Prozent aufgeladen werden kann, während eine Lithium-Ionen-Batterie 60 Minuten braucht, um von 10 auf 80 Prozent zu laden. Die Energiedichte dieser Batterien ist 80 % höher als bei Lithium-Ionen-Batterien.

Markteinführung

Potenzielle Marktchance.

Das rasante Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge hat die Entwicklung, Herstellung und den Verkauf von Batterien, insbesondere von Lithium-Ionen-Batterien, vorangetrieben. In der Zwischenzeit hat das Interesse an Festkörperbatterien die Aufmerksamkeit von Materialanbietern, Batterieverkäufern, Komponentenlieferanten, Automobil-OEMs und Investoren auf sich gezogen. Mit einer zunehmenden Anzahl von Akteuren, die in diesem Bereich arbeiten, und einigen Meilensteinen, die erreicht wurden, bietet sich für Festkörperbatterien eine potenzielle Marktchance in Höhe von 8 Milliarden US-Dollar.

Wann werden Festkörperbatterien auf dem Elektromarkt ankommen?

Die Festkörpertechnologie wird bereits in geringen Mengen eingesetzt bei Batterien, die unter kontrollierten Klimabedingungen arbeiten, bei Batterien für Luft- und Raumfahrtanwendungen und bei halbfesten oder Festkörper-Hybridbatterien.

Ein Beispiel aus jüngster Zeit sind die 50 E70-Fahrzeuge mit Semi-Solid-State-Batterien, die kürzlich von der chinesischen Dongfeng Motor Corporation auf den Markt gebracht wurden. Es handelt sich um eine Art technologische Premiere, bei der Semi-Solid-State-Batterien in einer Reihe von Simulationstests offenbar hervorragende elektrochemische Eigenschaften gezeigt haben. Die Augen der gesamten Automobilwelt sind derzeit auf den chinesischen Autohersteller Dongfeng Motor Corporation gerichtet. Es könnte sich auch einfach um eine großartige Marketingmöglichkeit handeln, um seine Marke zu fördern und sie vor allen anderen mit dieser neuen Technologie in Verbindung zu bringen, aber es gibt keine Garantie, dass sie die Massenproduktion erreichen werden.