Die Festkörperbatterie wird mal als der Heilige Gral der Batterietechnik bezeichnet, mal als Einhorn; Realität ist sie jedenfalls noch nicht. Doch nun stellt der koreanische Batteriespezialist SK On einen Polymer-Elektrolyten vor, mit dem die Festkörperbatterie einen Schritt näher rücken soll.

In Zusammenarbeit mit dem ehemaligen Forschungsteam des verstorbenen Nobelpreisträgers John B. Goodenough (Wikipedia) von der University of Texas habe man einen Polymer-Elektrolyten entwickelt, der schon bei Raumtemperatur funktioniert, so SK On. Die Forschungsergebnisse wurden im renommierten Journal of Electrochemical Society veröffentlicht.

Bei Festkörperbatterien ist der Elektrolyt nicht flüssig wie bei heutzutage verwendeten Lithium-Ionen-Batterien, sondern fest. Als geeignete Festelektrolyte gelten neben Sulfiden und Oxiden auch Polymere. Letztere lassen sich relativ leicht sowie kostengünstig herstellen und der Kontakt zu den Elektroden kann leichter hergestellt werden.

Allerdings weisen Polymer-Elektrolyte meist eine geringere Ionenleitfähigkeit als Sulfide und Oxide auf, bei denen die Ionen von Fehlstelle zu Fehlstelle im Ionengitter hüpfen können. Bei Polymeren steigt die Leitfähigkeit für Lithium-Ionen oft erst bei erhöhten Temperaturen von 70 bis 80 Grad auf ein nutzbares Niveau.

SK On bezeichnet das neue Material als Single-Ion Conducting Polymer Electrolyte (SIPE),nähere Angaben zur chemischen Natur des Elektrolyten fehlen jedoch. Nach einem Übersichtsartikel in ChemElectroChem vom April 2024 handelt es sich bei SIPE-Materialien um Polymer-Elektrolyte mit eingebauten negativen Ladungen. Durch diese wird die Anziehung zwischen dem Lithiumion und seinen Gegenionen geschwächt und damit die Mobilität des Lithiums erheblich gesteigert. 

Das neue SIPE-Material soll jedenfalls eine gute Ionenleitfähigkeit aufweisen, was Voraussetzung für eine gute Ladeleistung und eine gute Leistungsabgabe beim Entladen ist. Die Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur soll etwa 1,1×10-4 Siemens pro Zentimeter betragen. Damit sei der Wert zehnmal so hoch wie bei bisherigen Polymer-Materialien.

Außerdem soll die so genannte Lithiumionen-Übertragungszahl 0,92 betragen statt 0,2 wie bei bekannten Stoffen. Der Wert bezeichnet denjenigen Anteil des Stroms, der von dem Lithium-Ion übertragen wird. Nach dem Übersichtsartikel liegt die Ionenleitfähigkeit bei einem normalen Polymerelektrolyten wie Polyethylenoxid (-O-CH2-CH2-O-) sogar bei nur 10-7 S/cm, die Lithiumionen-Übertragungszahl liegt unter 0,5. 

Beim schnellen Laden und Entladen mit einer C-Rate von 2C (also z.B. mit 160 kW bei einer 80-kWh-Batterie) soll die Zelle mit dem neuen Elektrolyten 77 Prozent derjenigen Speicherkapazität behalten, die beim langsamen Laden und Entladen mit 0,1C bleibt. Eine absolute Zahl für die Zyklenfestigkeit gibt SKI nicht an – normalerweise wird die Zahl der Zyklen bis zum Unterschreiten von 80% der ursprünglichen Speicherkapazität angegeben.

Auch die Stabilität des Solid Electrolyte Interface (SEI) soll verbessert worden sein. Diese Schicht könne die gefürchtete Dendritenbildung bei Lithium-Metall-Batterien verringern. Bei Lithium-Metall-Batterien wird metallisches Lithium statt Graphit als Anode verwendet. Dadurch soll sich die Energiedichte einer Zelle deutlich erhöhen. Allerdings können sich Dendriten bilden, also Kristallbäumchen, die im Extremfall bis zur Gegenelektrode wachsen und dann einen Kurzschluss erzeugen können. Darüber hinaus soll das SIPE-Material eine hohe mechanische Belastbarkeit bieten sowie hitzebeständig bis rund 250 Grad sein.

Außer an Festkörperzellen mit Polymer-Elektrolyt arbeitet SKI auch an Batterien mit sulfidbasiertem Festelektrolyt. Erste Festkörper-Prototypen will die Firma 2025 oder 2026 fertig haben, kommerzielle Prototypen dann 2028 oder 2029.

Unter dem Strich

Nach wie vor wird mit Hochdruck an der Festkörperbatterie geforscht. Die Technik soll hohe Laderaten und Energiedichten bringen – also genau das, woran es immer noch hapert. Aber vor 2030 ist wohl kaum mit Serienautos zu rechnen, auch wenn es immer wieder Berichte über einen früheren Start der Technik gibt.

Eine gute Übersicht zur Festkörperbatterie gibt das folgende Video des Batterie-Podcasts Geladen aus dem Umfeld des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT):