Feststoffbatterie: Ist das die Zukunft im Elektroauto?

Eine Feststoffbatterie wird in den Händen eines Labormitarbeiters gehalten
Batteriezellen der Zukunft? Kissenförmig und mit festem, statt flüssigem Elektrolyt © BMW

Für höchste Reichweiten und kürzeste Ladezeiten hoffen die Autohersteller auf den Lithium-Ionen-Akku mit festen Elektrolyten. Doch bis die Feststoffbatterie im Elektroauto auf der Straße ist, wird es noch einige Jahre dauern.

  • Feststoffakku: Höhere Energiedichte, mehr Reichweite, kürzere Ladezeiten

  • Technologie-Wettlauf: Beeinflusst durch Produktionskosten und Materialknappheit

  • Zukunfts-Szenario: Vermutlich größere Diversifizierung der Akku-Technologien

Die Feststoffbatterie soll das E-Auto zu neuen Höhen führen. Doch noch ist das Rennen um die Superbatterie offen: Kommt sie überhaupt? Und wenn ja: Wann und bei welcher Marke? Und: Wird sie eventuell viel zu teuer?

Vor- und Nachteile der Feststoffbatterie

Ultrakurze Ladezeiten, enorme Reichweiten, höchste Brandsicherheit und niedrigere Kosten versprechen die Fahrzeughersteller sich und ihren Kunden von der neuen Akku-Technik. Mehr oder weniger alle großen Autobauer setzen große Hoffnungen auf die neue Feststoffbatterie. Nissan beispielsweise hat angekündigt, 2024 mit einer Pilotproduktion zu starten. 2028 soll das erste Serienauto damit auf den Markt kommen. Andere Hersteller haben noch ehrgeizigere Ziele. Die Meldungen zu neuen Partnerschaften bei der Entwicklung der Batterien häufen sich zunehmend. Es geht um nichts Geringeres als die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit im Automobilbau.

Eine Feststoffbatterie wird produziert
Fertigung von Feststoffzellen in einer Pilotanlage© Nissan

Frank Blome, Batteriechef bei Volkswagen, sprach daher sogar von einem "Endspiel" in der Akku-Technik, das jeder Konzern gewinnen wolle. Bereits ab 2025 – so der Plan von VW – soll die Feststoff-Technik verfügbar sein, zumindest eine Pilotanlage soll dann mit der Testproduktion beginnen. Blome spricht von einem Reichweitenplus von 30 Prozent gegenüber aktuellen Lithium-Ionen-Batterien, gleichzeitig soll die Ladezeit halbiert werden. Beides zusammen könnte das Reichweitenproblem des E-Autos endgültig lösen. Kein Wunder, dass auch andere Mitspieler wie Toyota, BMW und Ford bei dem Wettrennen mitmachen.

Als eine der Hauptaufgaben muss die Industrie noch die Fertigung im Großserienmaßstab meistern. Nissan reklamiert niedrigere Kosten gegenüber der Flüssig-Batterie, ein praktischer Beleg steht jedoch noch aus. Andere Experten rechnen auf jeden Fall mit höheren Preisen für Festkörperzellen.

So funktioniert der Feststoffakku

Feststoffbatterie, Wasserstoffbatterie, Vergleich, Flüssiger Elektrolyt, Fester Elektrolyt
Kleiner Unterschied, großer Effekt: Akku mit Festelektrolyt© ADAC e.V.

Der Unterschied der Feststoffbatterie zu heutigen Akkus ist zunächst einmal nur ein kleiner: Statt eines flüssigen Elektrolyten kommt ein fester zum Einsatz. Der Elektrolyt stellt eine der zentralen Komponenten in jeder Batterie dar und übernimmt den Transport der Ionen zwischen Anode und Kathode, was im Gegenzug den Elektronen ihre Wanderschaft in Gegenrichtung ermöglicht, die für den Stromfluss sorgt und letztendlich den E-Motor antreibt. Während der Flüssig-Elektrolyt so leicht und schnell brennt wie das chemisch verwandte Benzin, lässt sich sein festes Gegenstück fast gar nicht in Brand setzen. Vor allem bei Kollisionen von E-Autos könnte das ein Sicherheitsvorteil sein.

Der Punkt, der die Feststofftechnik wirklich interessant macht, ist ein anderer. Denn die Nutzung des festen Elektrolyten erlaubt den Einsatz alternativer Anodenmaterialien: Statt wie heute üblich die Anode aus Graphit zu fertigen, könnte man sie dann beispielsweise aus Lithium herstellen, das mit einem deutlich höheren elektrochemischem Potenzial aufwartet. An der Kathode kommt heute meist ein Materialmix aus Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt zum Einsatz.

Das plötzliche Ende für die klassische Flüssig-Batterie dürfte eine Markteinführung der Feststoffbatterie nicht bedeuten. Schließlich hat die aktuelle Technik einen rund 30-jährigen Entwicklungsvorsprung, der sich nicht ohne weiteres aufholen lässt: Sie hat sich im Auto bewährt, Materialien und Produktionsverfahren sind erprobt und ihre Leistungsfähigkeit wird in den kommenden Jahren weiter steigen. Das beweisen die vielen geplanten neuen Batteriefabriken in Europa, die alle noch auf Akkus mit der bestehenden Zelltechnologie setzen. Die Investments sind bis ins nächste Jahrzehnt ausgelegt.

Diese Hersteller arbeiten zusammen

Aber es geht voran bei der neuen Super-Batterie. Mercedes-Benz vermeldet, dass die ersten gemeinsam mit der taiwanesischen Firma ProLogium entwickelten Feststoffbatterien in ausgewählten Serienmodellen innerhalb der zweiten Hälfte des Jahrzehnts zum Einsatz kommen könnten. Volkswagen arbeitet mit dem US-Unternehmen QuantumScape zusammen, an dem die Wolfsburger die Mehrheit der Anteile halten. Das Start-up gilt als einer der hoffnungsvollsten Anwärter auf die Rolle als Feststoff-Pionier.

Ford und BMW haben sich mit dem Feststoffbatterie-Spezialisten Solid Power zusammengetan. Die US-Firma will noch in diesem Jahr erste Zellen an die beiden Automobilhersteller liefern, allerdings zunächst nur für Qualifizierungstests. Die Serienproduktion der Zellen ist für das Jahr 2026 angepeilt. Auch technische Details zum Akku wurden schon bekannt gegeben. So soll die Energiedichte mit einer Silizium-Anode auf 390 Wh pro Kilogramm kommen.

Werde statt der Silizium-Anode eine Lithium-Metall-Anode verbaut, komme die Zelle sogar auf 440 Wh pro Kilo. Zum Vergleich: Die in Europa agierende und mit Volkswagen kooperierende Firma Northvolt will 2025 Lithium-Metall-Akkus mit konventionell flüssigem Elektrolyt und einer Energiedichte von immerhin 369 Wattstunden pro Kilo auf den Markt bringen.

Der Langstrecken-Akku von Nio

Ende 2023 hat der chinesische Autobauer Nio vermeldet, mit einem sogenannten Ultra-Langstrecken-Akku in der Flaggschiff-Limousine ET7 eine Reichweite von über 1000 Kilometer zurückgelegt zu haben. Die 150-kWh-Batterie sei das weltweit erste CTP-(Cell-to-Pack)-Paket mit einer Energiedichte von bis zu 360 Wattstunden pro Kilogramm. Dabei handle es sich um Zellen im Pouch-Format, die sich nicht thermisch ausbreiten. Über die Zellchemie gab der Hersteller keine Auskunft.

Der Tesla-Weg: Die 4680er Rundzelle

Mehrere Tesla 4680 Batterien stehen nebeneinander
Deutlich dicker als bisher: Zukünftige Rundzelle von Tesla im Format 4680© Vladimir Grigorev

Letztlich ist auch interessant, für welche Zelltechnologie sich Elektro-Ponier Tesla in Zukunft entscheidet. Bisher lag Tesla in Sachen Akkutechnologie jedenfalls stets richtig: Reichweiten und Ladezeiten sind top im Konkurrenzvergleich, wie man im ADAC Test nachlesen kann. Nach den bewährten Rundzellen im Format 2170 (2,1 Zentimeter im Durchmesser, 7,0 Zentimeter hoch) setzt Tesla inzwischen wesentlich dickere Rundzellen im Format 4680 ein, immer noch mit flüssigem Elektrolyt. Die Energiedichte der 4680er Zelle liege bei enormen 300 Wh pro Kilogramm, ist mancherorts zu lesen.

Auf Rundzellen in zwei verschiedenen Größen setzt BMW in der neuen Elektroauto-Plattform, die ab 2025 auf den Markt kommen soll. Auch das ist ein Indikator dafür, dass es bis zur Serienreife von Feststoffbatterien noch ein bisschen dauern könnte – allen Ankündigungen verschiedener Hersteller zum Trotz.

Besonders günstig: Natrium-Ionen-Akkus

Ende des Jahres 2023 sind in China erste Serien-Elektroautos der Firma Yiwei mit einer Natrium-Ionen-Batterie vom Band gelaufen. Vorteil: Bei Natrium-Ionen-Akkus wird das nur sehr aufwendig zu gewinnende Lithium durch das leicht zu handhabende und in großen Mengen verfügbare Natrium ersetzt. Das macht die Natrium-Ionen-Batterien besonders kostengünstig. Nachteil der Natrium-Ionen-Bauweise ist eine vergleichsweise geringe Energiedichte (etwa 120 bis 180 Wattstunden pro Kilo).

Mehrheitseigner der Firma Yiwei ist übrigens Volkswagen Anhui. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass sich Volkswagen in jedem Fall mehrgleisig aufstellen wird. Festkörperbatterien sind mutmaßlich als Option für zukünftige Oberklassemodelle mit sehr hohen Reichweiten gedacht. Natrium-Ionen-Akkus könnten niedrigpreisige E-Autos für den täglichen Kurzstreckenbedarf ermöglichen. Und in den Preissegmenten dazwischen mag es eine große Bandbreite von Lithium-Ionen- und Eisenphosphat-Batterien geben.

Zukünftig höhere Vielfalt an Akku-Varianten

Fazit: Welcher Akku in welchem Fahrzeug in Zukunft angeboten wird, dürfte vor allem von den konkreten Anforderungen und der Zahlungsbereitschaft der Kunden abhängen. Allein schon die Materialknappheit und Preisschwankungen werden für eine breite Palette verschiedener Akku-Varianten sorgen. Neben den klassischen NMC-Lithium-Ionen-Akkus (NMC = Nickel-Mangan-Kobalt) gibt es bereits günstige Eisenphosphat-Batterien, noch preiswertere Natrium-Batterien könnten bald dazustoßen. Und in der Folge irgendwann auch die neue Feststoffbatterie. Der wirtschaftliche Konkurrenzkampf bzw. der technologische Wettlauf hat eigentlich gerade erst begonnen.

Text: Holger Holzer/SP-X, Wolfgang Rudschies