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Feststoff-Akkus für E-Autos: Eine neue Super-Batterie?

Viele Elektroautokäufer:innen sehen als einziges Problem immer noch die geringe und sehr schwankende Reichweite der Akkus. Dieses Problem haben Hersteller erkannt und arbeiten eng mit Firmen zusammen, die sich auf die Forschung sogenannter Feststoff- oder Festkörperbatterien spezialisieren. Diese neue Art der E-Auto-Akkus soll das Reichweitenproblem lösen.

So schnell wird es kein Auto mit Feststoffbatterie geben, doch auch die aktuellen Elektroautos mit klassischem Lithium-Ionen-Akku sind auf jeden Fall zu empfehlen. Wir haben hier unsere top 5 E-Autos für Sie zusammengestellt:

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Festkörperakkus sind ein neues, aber hart umkämpftes Forschungsgebiet. Viele Hersteller haben in Firmen investiert, die an Festkörperakkus forschen. VW ist beispielsweise mit 100 Millionen Dollar am Festkörper-Start-up Quantum Scape beteiligt. Ein Auto wie der e-Golf könnte dann statt 300 Kilometer gut 750 Kilometer weit kommen. Auch Nissan-Renault haben in die Branche investiert und möchten gemeinsam mit Ionic Materials die Feststoffbatterie bis zur Marktreife entwickeln.

Inhaltsübersicht
Was macht eine Feststoffbatterie so besonders?
Wie funktioniert eine Feststoffbatterie?
Vor- und Nachteile von Feststoffakkus
Wann kommen die ersten Autos mit 
Festkörperbatterie?

Was macht eine Feststoffbatterie so besonders?

Das Besondere steckt schon im Namen, denn beim Feststoffakku ist der Elektrolyt nicht mehr flüssig, sondern fest. In der Welt der Batterie- und Akkuforschung gilt die Feststoffbatterie für den Einsatz in Elektroautos seit einiger Zeit als der Königsweg. Das schlagende Argument ist wohl die hohe Reichweite, die möglich wird, weil man reines Lithium an die Anode anlagern kann. Reines Lithium hat eine viel höhere Speicherkapazität, nämlich 2.860 mAh/g (mAh/g = Milliamperestunden pro Gramm), während aktuelle Anoden nur auf ca. 370 mAh/g kommen.

Bislang wird als Kathodenmaterial außerdem Kobalt eingesetzt. Auf Kobalt verzichten zu können wäre ein großer Schritt, denn das Grundmaterial ist giftig, teuer und nur begrenzt verfügbar. Außerdem wird es unter teils menschenunwürdigen Arbeitsbedingungen vor allem in Afrika gewonnen.

Wie funktioniert eine Feststoffbatterie?

Bei einer Feststoffbatterie lässt sich reines Lithium an der Anode anlagern. Außerdem ist der Elekrolyt fest und nicht wie im Lithium-Ionen-Akku flüssig. Potentielle Elektrolyt-Kandidaten sind Glas, Keramik oder Schwefelverbindungen. Der Elektrolyt trennt Minus- und Pluspol, also Kathode und Anode voneinander und verhindert so einen Kurzschluss.

Das Startup Qauntum Space hat angeblich eine Batteriezelle entwickelt, die ganz ohne Lithium an der Anode auskommt. Wie der Akku dann funktionieren soll, werden wir abwarten müssen.

Vor- und Nachteile von Feststoffakkus

Der Feststoffakku wird als Ideallösung gehypt, und er hat durchaus einige Vorteile. Allerdings gibt es auch Nachteile, die nicht unerwähnt bleiben sollen.

Vorteile

Der am meisten genannte Vorteil ist, dass Feststoffbatterien eine höhere Speicherdichte aufweisen als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus, was an der Verwendung von reinem Lithium liegt. Außerdem sind sie leichter, weil der Elektrolyt fest ist und deshalb dünner sein kann, als eine flüssige Trennschicht. Hier wären wir beim nächsten Vorteil, der Elektrolyt ist nicht mehr flüssig. Das ermöglicht schnelleres Laden und soll angeblich die Brandgefahr mindern.

Ob der Festkörper-Akku wirklich sicherer ist, bleibt erstmal abzuwarten. Schließlich konnte er bisher noch nicht in einem Auto getestet werden, soweit sind die Forschungen noch nicht.

Nachteile

Damit der Akku in einem Auto zur Anwendung kommen darf, müssen sehr hohe Anforderungen erfüllt werden: Er muss eine Schnellladefähigkeit haben, eine hohe Lebensdauer nachweisen, temperaturtolerant sein und einen bezahlbaren Preis haben. Bei allen diesen Kriterien müsste der Feststoffakku besser abschneiden, als die bestehenden Technologien.

Was bisher noch problematisch ist, sind vor allem die Punkte Lebensdauer und niedrige Temperaturen. Das Problem ist, dass die Ionen in festen Elektrolythen bei Kälte eher zäh wandern, was das Aufladen ebenfalls zu einer zähen Angelegenheit macht. Hohe Temperaturen hingegen sind bis zu 200 Grad kein Problem, machen den Akku irgendwann aber nur noch wenig effizient.

Ob ein superschnelles Laden gewährleistet werden kann, ist auch noch unsicher. Dafür bräuchte es erst reale Fahrtests. Selbst wenn diese Hürden genommen werden könnten, müsste man sich den Preis noch genauer ansehen und auch beim Thema knappe und teure Rohstoffe ist der Festkörperakku kein Vorzeigeschüler. Durch die Verwendung von reinem Lithium erhöht sich die Menge, die man benötigt. Bei gleicher Kapazität sind sogar ca. 20 Prozent mehr reines Lithium als bei einem aktuellen Lithium-Ionen-Akku mit flüssigem Elektrolyt nötig.

Wann kommen die ersten Autos mit Festkörperbatterie?

Die größte Herausforderung ist die Serienentwicklung. Aktuelle Prototypen sind lediglich einschichtig, diese müssen zu einer mehrschichtigen Zelle ausgebaut und in Richtung Massenfertigung weiterentwickelt werden. Aktuelle Prototypen haben außerdem noch das Problem einer kurzen Lebensdauer und verlieren nach einigen Ladezyklen bereits an Kapazität oder gehen komplett kaputt.

Deshalb ist vor allem das Testen auf der Straße unabdingbar, denn nur weil es im Labor unter Idealbedingungen klappt, heißt das für die Praxis noch lange nichts. Toyota ist einer der Hersteller, die sich seit Jahren stark in der Forschung zu Feststoffakkus engagieren und wollten zur Olympiade 2021 in Tokio einen ersten E-Auto-Prototyp präsentieren. Das hat man aufgrund der Corona-Pandemie allerdings auf Eis gelegt.

Wann die Präsentation nachgeholt wird, ist unklar. Vor dem Jahr 2030 wird es aber voraussichtlich kein E-Auto geben, dass als Serienfahrzeug mit Feststoffakku unterwegs ist.