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6/2019, Toyota Elektroauto Studien 2020
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Feststoff-Batterie von Toyota

Wie weit sind die Japaner mit dem Super-Akku?

Der Hybridspezialist startet zögernd in die Elektromobilität, investiert aber 23 Milliarden in die Entwicklung von Festkörper-Batterien. Wann kommen die Super-Batterien für Toyotas Elektroautos?

Festkörper-Batterien gelten aktuell als heiliger Gral der Akkuforscher, denn an den aktuell in den meisten E-Autos verwendeten Li-NMC-Batterien (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt) stört zweierlei: Gewisse Grenzen bei der Erweiterung der Leistungsfähigkeit und ein flüssiger Elektrolyt, der potenziell feuergefährlich ist. Bei der Festkörper-Batterie ist dieser eben fest.

Allerdings gibt es Lithium-Polymer-Batterien (wie beim Mercedes eCitaro), bei denen der Elektrolyt aus nichtflüssigen, aber elastischen Stoffen besteht, die theoretisch auch zu den Festkörper-Batterien gezählt werden können. Wichtigstes Unterscheidungsmerkmal zu den "echten" Feststoff-Akkus: Der Elektrolyt der Lithium-Polymer-Batterien ist dennoch brennbar.

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Wie fest ist der Festkörper-Elektrolyt?

Anders verhält es sich mit keramischen Elektrolyten. Neben der Brandsicherheit haben solche Festkörper-Batterien theoretisch auch eine höhere Leistung. Maximilian Fichtner, Professor für Festkörperchemie an der Universität Ulm und stellvertretender Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung erklärt das so: "Der feste Elektrolyt ist eigentlich ein Hilfsmittel. Er soll die Struktur aus Graphit auf der Minuspolseite überflüssig machen, man könnte sie dann durch reines Lithium ersetzen. Die Speicherkapazität von reinem Lithium beträgt nämlich 2860 mAh/g. In aktuellen Anoden, in denen Graphit das Lithium speichert, kommt man nur auf 370 mAh/g. Das heißt, wir verlieren im Augenblick quasi aus Sicherheitsgründen auf der Minuspolseite den Faktor 8."

Das Graphit setzt man ein, "weil reines Lithium in einem Flüssigelektrolyt nadelartige Strukturen auf der Oberfläche bildet, wenn man es immer wieder anlagert und auslöst. Diese so genannten Dendriten wachsen in die Zelle, durchbohren Grenzschichten. Dadurch entstehen Kurzschlüsse, die Zelle wird heiß, der Elektrolyt verdampft, die Batterie platzt und beginnt zu brennen. Mit der keramischen Schicht des festen Elektrolyten hofft man eine mechanische Sperre gegen die Dendritbildung zu haben und die Minuspol-Seite ließe sich wie beschrieben massiv verbessern," so Fichtner.

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Mit welchen Schwierigkeiten Toyota kämpft

Der feste Elektrolyt habe aber auch Nachteile: "Wenn die Batterie sich ein wenig ausdehnt oder schrumpft, kann eine Flüssigkeit dem folgen, die Oberflächen bleiben immer benetzt. Beim festen Elektrolyt besteht das Risiko, dass der Oberflächenkontakt abreißt, dann gibt es keinen Ladungstransport mehr".

Mit diesen Schwierigkeiten und Forschungsthemen beschäftigt sich auch Toyota – wohl am intensivsten unter den Autobauern. So meldeten BMW oder VW beispielsweise Millionen-Investitionen in entsprechende Firmen oder Beteiligungen, aber die Japaner haben angeblich 23 Milliarden in einen lang angelegten Forschungsplan gesteckt.

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Eigentlich wollte Toyota bei olympischen Sommerspielen in Tokio als Hauptsponsor die bisherigen Ergebnisse präsentieren – auch in Form von Prototypen. Corona-bedingt wurde Olympia aber verschoben. Das Fachmagazin Automotive News Europe befragte im Juli 2020 Keiji Kaita, Vorstand bei Toyota und verantwortlich für die Antriebsstrangentwicklung sowie die Batteriesparte, nach dem Stand der Dinge und was die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien aktuell noch verhindert.

Festkörper-Batterien – leichter, haltbarer, schneller zu laden?

Kaita erwartet, dass die Festkörper-Batterien leichter, sicherer, haltbarer und damit letztlich billiger werden als die aktuellen Li-NMC-Akkus. Die Prototypen von Festkörper-Zellen lassen sich laut Kaita zudem deutlich schneller laden. Leere Zellen seien bereits nach 15 Minuten wieder voll geladen, das sei signifikant schneller als bei aktuellen Zellen, so Kaita. Das ist eher überraschend für Festkörper-Batterien – bei der Lithium-Polymer-Batterie des eCitaro sind Ladeleistung und damit Ladegeschwindigkeit um etwa den Faktor vier geringer als beim gleichzeitig angebotenen Li-NMC-Akku. Professor Fichtner vermutet, dass sich die Japaner zu Nutze machen, "dass die Leitfähigkeit des Elektrolyts bei erhöhten Temperaturen stark ansteigt. Während hohe Temperaturen bei Zellen mit Flüssigelektrolyt vermieden werden, kann eine Festkörperzelle erhöhte Temperaturen vertragen, man muss keine bzw. weniger Nebenreaktionen befürchten, wie sie beim Flüssigelektrolyt auftreten".

Allerdings bestehe noch Verbesserungsbedarf bei Sicherheit und Haltbarkeit. Dabei beschreibt Kaita genau die Probleme, die Fichtner nennt: Der Elektrolyt – bei Toyota eine Glaskeramik aus einer Phosphor-Schwefel-Verbindung – müsse unter hohem Druck komprimiert werden, damit die Ionen möglichst leicht hindurchwandern können, gleichzeitig muss er flexibel genug bleiben, um Ausdehnung und Kontraktion der Anode während Ladung und Entladung ausgleichen zu können oder eine möglichst geringe Deformation zu erreichen. Der Durchbruch können in neuen Materialien oder in einem speziellen Design liegen.

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Aktuell sind die Zellen harte, plattenartige Rechtecke in der Dicke eines Spiralblocks. Sie sind in Beuteln versiegelt, um keine Feuchtigkeit einzulassen, und dann zu Modulen angeordnet. Ihre Herstellung ist aufwendig und muss in absolut trockener Umgebung ablaufen. Aktuell passiert das noch in einer Art von transparenten Ständen, in die Arbeiter durch Löcher mit Handschuhen greifen müssen – nichts, was irgendwie in Massenproduktion vorstellbar ist.

Toyota im Plan, aber nicht schnell

Trotzdem sieht Kaita Toyota noch im Plan. 2025 soll eine Kleinserienproduktion beginnen. Die Japaner entwickeln die Feststoffbatterien in einem Joint-Venture mit Panasonic namens Prime Planet Energy & Solutions Inc. Es hat 5.100 Angestellte, 2.400 davon bei einem chinesischen Subunternehmen. Panasonic nahm im April im April den Betrieb auf.

Anfangs, ohne Massenproduktion, werden die Festkröper-Batterien teurer sein als Lithium-Ionen-Akkus. Kaita vermutet, dass das Produktionsvolumen in den ersten Jahren gering bleiben wird und dass die Kosten erst deutlich unter 100 Dollar pro Kilowattstunde fallen müssen, um mit Antriebssträngen mit Verbrennungsmotoren konkurrieren zu können.

Das könnte um so schwieriger werden, als Toyota das Ziel hat, Batterien zu bauen, die auf sehr lange Sicht mehr als 90 Prozent ihrer Leistungsfähigkeit – und mit sehr langer Sicht sind Zeiträume von 30 Jahren gemeint. Erreichen will Kaita das, indem die Leistung der Batterien sich anpasst oder durch ein ausgeklügeltes Kühlsystem. Alternativ ließe sich das auch über ein entsprechendes Nutzungs- und Ladeprofil erreichen – so oder so brauche es einen ganzheitlichen Ansatz, so der Experte.

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Fazit

Batterieforschung ist Zukunftsforschung. So scheint auch Toyota trotz großer finanzieller Anstrengungen nicht mit dem schnellen Durchbruch bei Festkörper-Batterien zu rechnen. Denn das Periodensystem der Elemente ist zwar endlich, aber nicht klein und die Kombinationsmöglichkeiten von Materialien in der Batterie wirkt schon eher unendlich. Noch vielfältiger sind die mannigfaltigen Möglichkeiten der Anordnung und des Aufbaus der Batteriezellen. Auch darin scheint so viel Potenzial zu stecken, dass sich die Anhänger der Festkörper-Batterie irgendwann auf dem Holzweg der technischen Entwicklung wiederfinden könnten, wenn ein anderer eine Abkürzung gefunden hat.

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