Festkörperbatterien und neue NASA-Technologie: Sind die Tage der brennbaren Lithium-Ionen-Batterien bald vorbei?

Seit Jahrzehnten gelten Lithium-Ionen-Batterien als der "Goldstandard" bei der Energiespeicherung. Sie treiben unsere Smartphones, Laptops und zunehmend auch unsere Autos an. Lithium-Ionen-Batterien bauen jedoch schnell ab, und sie sind brennbar. Was ist also mit Festkörperbatterien?

Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien - also die Energiemenge, die sie im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht speichern können - lässt zu wünschen übrig, schreibt das polnische Raumfahrtunternehmen TS2.Space auf seiner Website.

Die Antwort könnte in Zukunft in Festkörperbatterien liegen: Sie sind sicherer, leichter, leistungsfähiger und langlebiger.

Klingt zu schön, um wahr zu sein? Nun, ja - obwohl wir wahrscheinlich noch einige Jahre von einem kommerziellen Durchbruch entfernt sind, glauben einige, dass die Batterien bereits fast bereit für eine technische Anwendung in Bereichen des Verkehrs sind, in denen Feuer ein besonderes Problem darstellt, wie in der Luftfahrt.

Was also ist eine Festkörperbatterie? Laut Wikipedia wird bei einer Festkörperbatterie die Festkörpertechnologie eingesetzt, bei der feste Elektroden und ein fester Elektrolyt anstelle der in Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien verwendeten flüssigen oder Polymer-Gel-Elektrolyte verwendet werden.

Feste Elektrolyte wurden erstmals im 19. Jahrhundert entdeckt, doch mehrere Nachteile haben eine breite Anwendung verhindert. Die Entwicklungen im späten 20. und frühen 21. Jahrhundert haben in den 2010er Jahren ein erneutes Interesse an Festkörperbatterietechnologien hervorgerufen, insbesondere im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen.

Festkörperbatterien können potenzielle Lösungen für viele Probleme von Li-Ionen-Flüssigbatterien bieten, wie z. B. Entflammbarkeit, begrenzte Spannung, instabile Feststoff-Elektrolyt-Zwischenphasenbildung, schlechte Zyklenleistung und Festigkeit.

Können Festkörperbatterien unsere entflammbaren und veralteten EV-Batterien ersetzen?

In ihrem Artikel "The Rise of Solid-State Batteries: Outpacing Traditional Lithium-ion Powerhouses" beschreibt das Unternehmen"Solid-State-Batterien" als einen neuen und potenziellen Konkurrenten für Lithium-Ionen-Batterien, sobald die Technologie kommerziell nutzbar ist:

"Erstens haben Festkörperbatterien eine viel höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. Das bedeutet, dass sie mehr Energie auf gleichem Raum oder die gleiche Energiemenge auf kleinerem Raum speichern können. Für Elektrofahrzeuge könnte sich dies in längeren Reichweiten und kleineren, leichteren Batterien niederschlagen. Für tragbare Elektronikgeräte könnte dies dünnere, leichtere Geräte mit längerer Batterielebensdauer bedeuten...

... Zweitens sind Solid-State-Batterien sicherer. Die flüssigen Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien sind entflammbar und können die Batterie bei Überhitzung explodieren lassen. Feste Elektrolyte hingegen sind nicht entflammbar und können höheren Temperaturen standhalten. Daher ist es bei Festkörperbatterien weniger wahrscheinlich, dass sie Feuer fangen oder explodieren".

Für die meisten kommerziellen Anwendungen immer noch zu teuer... aber vielleicht nicht für alle

Allerdings gibt es einen Haken: Festkörperbatterien sind noch nicht kommerziell nutzbar. Oder, um es für den Laien einfacher auszudrücken: Festkörperbatterien sind für die meisten Verbraucheranwendungen, einschließlich exklusiver Elektrofahrzeuge, noch zu teuer.

Einige neuere Forschungsergebnisse sind jedoch vielversprechend:

Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat kürzlich eine neue Art von Festkörperbatterie entwickelt, die bei Raumtemperatur betrieben werden kann und eine Lebensdauer von mehr als einem Jahrzehnt hat.

Ein Team von Wissenschaftlern an der Universität von Michigan hat einen Weg gefunden, Festkörperbatterien haltbarer und weniger anfällig für Degradation zu machen. Lesen Sie mehr

NASA entwickelt Festkörperbatterien für die Luftfahrt

Die Wissenschaftswebsite CleanTechnica.com schreibt in einem aktuellen Artikel über die Entwicklung einer Schwefel-Selen-Festkörperbatterie durch die NASA, die leicht und stark genug ist, um große Flugzeuge anzutreiben.

"Die meisten von uns haben kaum eine Ahnung, was die NASA - die National Aeronautics and Space Administration - seit dem Ende der Apollo-Mondmissionen getan hat... Es stellt sich heraus, dass der "Luftfahrt"-Teil ihrer Mission auch Fortschritte bei Flugzeugen umfasst, und das bedeutet, Alternativen zu herkömmlichen Kraftstoffen zu finden, die während des Fluges weniger Emissionen hinterlassen", schrieb CleanTechnica.com im Juli 2023.

Dem Artikel zufolge forscht die NASA seit Jahren im Rahmen ihres SABERS-Programms ( Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety ) an batteriebetriebenen Flugsystemen:

"Die NASA sagt, dass ihr Schwefel-Selen-Prototyp eine Energiedichte von 500 Wattstunden pro Kilogramm hat, was etwa doppelt so viel ist wie bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien".

Das Problem ist, dass Flugzeuge enorme Mengen an Energie benötigen, um den Boden anzuheben. Und bis vor kurzem waren Lithium-Ionen-Batterien in der Lage, ihre gespeicherte Energie viel schneller zu entladen als Festkörperbatterien.

Die SABERS-Forscher behaupten nun, mit Hilfe von Partnern an der Georgia Tech einen Weg gefunden zu haben, ihre Festkörperbatterien zehnmal schneller zu entladen als zu Beginn der Forschung. Danach erreichten sie eine weitere Verfünffachung - und das bei einer Batterie, die 40 % leichter ist als die gleiche Energie, die in einer Lithium-Ionen-Batterie gespeichert wird.

Auch hier sind die Kosten das Problem für die Markteinführung dieser Batterien. Für die meisten großen Personenkraftwagen und Privatfahrzeuge werden die Kosten wahrscheinlich noch einige Jahre lang ein Hindernis darstellen. Für Fluggesellschaften, Lufttaxis und andere Anwendungen, bei denen die Kosten auf Tausende von Flügen verteilt werden können, liegt die wirtschaftliche Schwelle jedoch vielleicht nicht mehr allzu weit in der Zukunft.

In dem Artikel werden zwei Lufttaxiunternehmen genannt, die die neuen Batterien derzeit in Betracht ziehen:

United Airlines setzt geflügelte Flugzeuge ein, die weniger Energie benötigen, um in der Luft zu bleiben, sobald sie die Reiseflughöhe erreicht haben. Das andere Unternehmen, Archer Aviation, verwendet im Grunde vergrößerte Drohnen, deren Rotoren ständig mit hoher Leistung arbeiten müssen, um in der Luft zu bleiben, was bedeutet, dass sie ständig viel Strom verbrauchen und eine geringere Reichweite haben.

Bildnachweis: (Titelbild oben)

Ein Diagramm einer Festkörperbatterie. Wikipedia Commons License, verfasst von Na9234.

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