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Feststoffbatterien für Serienautos von BMW und Ford

Feststoffbatterien für Serienautos BMW und Ford bringen Akkus mit Super-Reichweite

BMW verspricht erste Protoypen von E-Autos mit Feststoffbatterie "deutlich vor 2025". Dahinter steckt ein US-Spezialist, in den BMW und Ford investieren und der die ersten Akkus für den Straßeneinsatz schon 2022 liefern will.

Schon im März 2021 skizzierte BMW-Chef Oliver Zipse auf der Jahrespressekonferenz den Weg des bayerischen Herstellers zum nachhaltigen Auto. Dazu will der Autobauer die wirklich grüne, CO2-arme und kreislauffähige Batterien in seinen Autos einsetzen.

Entwicklungschef Frank Weber sagte dazu im April: "Das grünste Elektroauto der Welt wird ein BMW sein – nachhaltig von der ersten Idee bis hin zum Recycling nach der Nutzungsphase. Wir entwickeln die Batteriezelle der Zukunft: sie wird leistungsstark, sicher, kostengünstig und kreislauffähig sein (...)". Gleichzeitig soll die Energiedichte von Batteriezellen bis zum Ende des Jahrzehnts um mindestens einen mittleren zweistelligen Prozentbereich steigen.

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Entwicklungsvorstand Frank Weber sagte dazu: "Wir forschen intensiv an der Feststoffbatterie-Technologie. Bis zum Ende des Jahrzehnts werden wir eine automotive-taugliche Feststoffbatterie für den Serieneinsatz realisieren. Schon deutlich vor 2025 planen wir ein erstes Demonstrator-Fahrzeug mit dieser Technologie zu zeigen." Die Feststoffbatterie (bei BMW "All-Solid-State-Battery", ASSB) sieht der Hersteller als Game-Changer im Automobilbereich. Auch VW hat deshalb im Lauf der Jahre bereits rund 300 Millionen Dollar in das ebenfalls US-amerikanische Unternehmen Quantumscape investiert.

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Weniger Invest als VW, aber schon weiter?

Dagegen nehmen sich die 130 Millionen US-Dollar, die BMW jetzt zusammen mit Ford und dem Risiko-Kapitalgeber Volta Energy Technologies in eine Investitionsrunde des erst seit 2012 existierenden Feststoffbatterie-Spezialisten Solid Power aus Colorado gesteckt hat, bescheiden aus.

In einer gemeinsamen Pressemitteilung heißt es: "Die BMW Group und Ford haben damit auch bestehende, gemeinsame Entwicklungspartnerschaften mit Solid Power erweitert, um sich Feststoffbatterien für zukünftige Elektrofahrzeug-Generationen zu sichern. Die Investition wird es Solid Power ermöglichen, vollständige und vollwertige Automotive-Batterien zu produzieren, die dadurch notwendige Materialproduktion zu steigern und die internen Produktionskapazitäten für die zukünftige Integration in Fahrzeuge zu erweitern. Die BMW Group und Ford wollen die kostengünstige und energiedichte Feststoffbatterie-Technologie von Solid Power in kommenden Elektrofahrzeugen nutzen."

Doug Campbell, CEO und Mitbegründer von Solid Power, sagte, man plane nun, "Anfang 2022 mit der Produktion von automotive-tauglichen Batterien auf der Pilotproduktionslinie des Unternehmens zu beginnen. Das ist eines der Ergebnisse des anhaltenden Engagements unserer Partner zur Industrialisierung unserer Technologie."

Ist Solid Power schon so gut wie am Ziel?

Tatsächlich war das Problem bei Feststoffbatterien bislang vor allem, die Zellen so zu entwickeln, dass sie massenhaft herstellbar sind. Solid Power verspricht, man nutze ausschließlich branchenübliche Lithium-Ionen-Produktionsprozesse und -anlagen und stelle aktuell bereits mehrschichtige Feststoffbatterien mit 20 Amperestunden (Ah) Kapazität auf einer "roll-to-roll-Produktionslinie" her. Ab 2022, so Solid Power, erhalten sowohl Ford als auch die BMW Group erhalten "100 Ah-Zellen für Automobil-Qualifikationstests sowie zur Fahrzeugintegration". Etwas, wovon VW-Partner Quantumscape noch ein ganzes Stück entfernt scheint.

Schon Ende 2020 habe Solid Power Hunderte in Serie produzierte Feststoffzellen an Ford und BMW geliefert, die die Autobauer eingehend getestet und bewertet hätten. Das Ergebnis sei das nun getätigte Investment und die offizielle Vereinbarung mit den "beiden langjährigen Automobilpartnern des Unternehmens".

Risiko-Kapitalgeber ist sich sicher

Der dritte Investor im Bunde, Volta Energy Technologies, ist laut Pressemitteilung "eine Venture-Capital-Firma, die aus dem Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums hervorging und sich auf Investitionen in bahnbrechende Energiespeicher- und Batterieinnovationen konzentriert". Ihr CEO, Dr. Jeff Chamberlain, begründet das Investment in Solid Power ebenfalls mit der "Tatsache, dass Solid Power bereits mehrschichtige Feststoffbatterien mit industrieüblichen automatisierten kommerziellen Fertigungsanlagen produziert". Die Partnerschaft des Unternehmens mit BMW und Ford werde die vollständige Industrialisierung der Batterien von Solid Power weiter beschleunigen und beide Automobilhersteller zu den ersten machen, die Elektrofahrzeuge mit sichereren, erschwinglichen und hochenergetischen Feststoffbatterien auf der Straße haben werden."

Das Geheimnis der Feststoff-Batterie

Worin liegen die technischen Vorteile der Feststoffbatterie? Wie der Name schon sagt ersetzen sie den flüssigen Elektrolyten, als das Medium in dem sich die Ionen zwischen den Elektroden hin und her bewegen, durch ein festes, in der Regel anorganisches Material. Flüssige Elektrolyte mit organischen Bestandteilen sind brandgefährlich, die Feststoffbatterie bringt also mehr Sicherheit. Und sie kommt mit größeren Temperaturen klar.

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Solid Power baut die Feststoffbatterie ohne Graphit an der Anode.

Feststoffbatterien lassen sich außerdem mit einer Metall-Anode mit hohem Lithium-Anteil aufbauen; je mehr Lithium, desto höher der Anteil an energetisch produktivem Material. In aktuellen Lithium-Ionen-Batterien muss hingegen viel Graphit an der Anode sitzen, um die Lithium-Ionen einzulagern. Denn die Ionen vergrößern sonst das Volumen und lagern sich frei in so genannten Dendriten an, zahnförmige Erhebungen, die die Trennschicht zum Elektrolyt durchbohren und so für einen Kurzschluss sorgen können. Der wiederum führt zum thermischen Durchgehen, also zum Brand der Zelle. Ein fester Elektrolyt ist da naturgemäß unempfindlicher, brennbar ist er auch nicht und die Zellen lassen sich grundsätzlich einfacher produzieren. Maximilian Fichtner, Professor für Festkörperchemie am Helmholtz-Institut Ulm und Direktor des Forschungsverbunds CELEST, schränkt aber ein: "Es mehren sich Hinweise, dass der Festelektrolyt alleine noch keine Garantie dafür ist, dass sich keine Dendriten bilden, die ja zu Kurzschlüssen in der Zelle führen können". Und die Fertigung großer ultradünner keramischer Bauteile sei auch alles anderes als trivial.

Trotzdem: Wegen des hohen Lithiumanteils ist eben auch die Energiedichte von Festkörperbatterien höher. Sie bieten also potenziell alles, wonach die Autohersteller suchen. Wie nah die Zellen von Solid Power wirklich an der Serienfertigung sind, lässt sich anhand der Veröffentlichungen von BMW und Ford derzeit genauso wenig erkennen wie an den Inhalten auf der Website von Solid Power.

Feststoffbatterie: Die Technologie in Bildern

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BMW und Ford versprechen mehr Reichweite und weniger Kosten

Auch bei Ford hält man die Feststoff-Batterie für die Zukunftstechnologie. Ted Miller, Ford Manager für Elektrifizierungs-Subsysteme und Stromversorgungsforschung sagt zum Investment: "Durch die Vereinfachung des Designs von Solid-State im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien können wir die Fahrzeugreichweite erhöhen, das Innenraumraumangebot und Transportvolumen verbessern. Und mit niedrigeren Kosten können wir dem Kunden einen größeren Mehrwert anbieten, da diese Art von Feststoff-Batteriezellentechnologie effizient in bestehende Lithium-Ionen-Zellproduktionsprozesse integrierbar ist."

04/2021, Ford Mustang Mach-E GT
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BMW-Entwicklungsvorstand Frank Weber will dass BMW "bei der Entwicklung der innovativen Batterietechnologie eine zentrale Rolle" einnimmt. Feststoffbatterien hält er für "eine der vielversprechendsten und wichtigsten Technologien hin zu effizienteren, nachhaltigeren und sichereren Elektrofahrzeugen". BMW habe die 20 Ah Feststoffzelle gemeinsam mit Solid Power entwickelt und gehe nun den nächsten Schritt.

Unter anderem damit sollen BMW-Elektromodelle in Zukunft auf die Herstellungskosten moderner Verbrennungsmotoren kommen und mit diesen auch bei der Reichweite gleichziehen. Dazu setzen die Münchner auf hochskalierbare Baukästen, die vom Volumenmodell bis zum High Performance Fahrzeug reichen. Als erstes hat BMW für 2025 die "Neue Klasse" in Anlehnung an die ebenso bezeichneten Modelle 1500 und 1800 der 60er Jahre angekündigt, die auf einer neuen, "electric first" entwickelten Cluster Architecture (CLAR III) aufbauen soll. Da BMW die Feststoffbatterie in Serie erst in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts sieht, müssen die ersten Modelle der Neuen Klasse vermutlich noch ohne den Wunder-Akku auskommen – es sei denn BMW findet bei der Weiterentwicklung der ersten Prototypen noch den Turbo.

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Fazit

Von VW hieß es lange, in die Zellfertigung steige man erst beim nächsten Technologiesprung – zur Feststoffbatterie – ein, bei aktuellen Lithium-Ionen-Batterien sei der Vorsprung asiatischer Spezialisten zu groß. Das Invest in Quantumscape passte zu dieser Strategie.

Aktuell wirkt es aber fast so, als könnten BMW und Ford mit Solid Power am Volkswagen-Konzern vorbeiziehen. Andererseits sind die Konkurrenten mit der Prognose, wann Feststoffbatterien in die Großserie einziehen trotz offensichtlicher Erfolge bei der Pilotfertigung noch vorsichtig. Bis zur zweiten Hälfte des Jahrzehnts könnte Quantumscape aufholen.

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