Im Jahr 1992 löste Sony eine Revolution in der tragbaren Elektronik aus. Das japanische Unternehmen nutzte jahrzehntelange Laborforschung zu Lithium-Ionen-Batterien und konnte Produkte wie Mobiltelefone und tragbare Videokameras auf den Markt bringen, die das Leben von Milliarden Verbrauchern verändert haben.
Batterien unterstützen heute die gewaltige Aufgabe, das globale Energie- und Transportsystem zu überarbeiten, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Während die Kosten für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien stark gesunken sind und der Verkauf von Elektroautos in den letzten Jahren stark angestiegen ist, hat sich die Technologie seit ihrer Kommerzialisierung kaum verändert.
Nach drei Jahrzehnten schrittweiser Optimierung könnte diese Orthodoxie jedoch bald auf den Kopf gestellt werden. Toyota, der größte Autohersteller der Welt, hat in den letzten Wochen angedeutet, dass er kurz vor einem Produktionsdurchbruch für eine möglicherweise bahnbrechende Technologie steht: Festkörperbatterien. Seit einer Reihe von Ankündigungen des japanischen Automobilherstellers zur Technologie der nächsten Generation im Juni nimmt der Hype zu. Seine Marktkapitalisierung ist seitdem um 26 Milliarden US-Dollar gestiegen.
Im Erfolgsfall könnte Toyota bereits 2027 mit dem Verkauf von Elektrofahrzeugen beginnen, die sicherer sind, sich schneller aufladen lassen und mit einer einzigen Ladung 1.200 Kilometer zurücklegen können – etwa das Doppelte des aktuellen Unternehmensdurchschnitts.
„Weltweit findet ein Wettlauf um den Erfolg im Bereich der Festkörperbatterien statt“, sagt Peter Bruce, Mitbegründer und Chefwissenschaftler der Faraday Institution, einem britischen Batterieforschungsinstitut. „Wenn es Toyota oder irgendjemandem anderen gelingt, Festkörperbatterien herzustellen, die kostengünstig sind und die erforderliche Lebensdauer bieten, könnten sie eine Steigerung der Energiedichte und eine Ladezeit von 10 Minuten ermöglichen.“ Wenn sie diese Kennzahlen erreichen, wird das störend sein.“
Wenn die Technologie erfolgreich eingeführt wird, könnten die Auswirkungen dramatisch sein. Es würde die Automobilindustrie aufrütteln, in der der Verkauf von Elektrofahrzeugen und Batterien derzeit von Tesla sowie den chinesischen Unternehmen BYD und CATL dominiert wird. Angesichts der Besorgnis des Westens über die derzeitige Dominanz Chinas bei Batterien und deren Rohstoffen hätte dies geopolitische Auswirkungen. und es könnte die Anwendung von Batterien in neuen Transportbereichen wie der Luftfahrt eröffnen.
Einige Beobachter gehen davon aus, dass der Wandel ebenso folgenschwer sein könnte wie der Übergang von schnurgebundenen Telefonen und Festnetzanschlüssen zu Mobiltelefonen.
Doch die Festkörperbatterietechnologie ist nicht ohne Skeptiker. Kritiker fragen, ob grundlegende wissenschaftliche Fragen angesprochen wurden; andere fragen sich, ob jemals eine Hochgeschwindigkeitsfertigung in großen Mengen möglich ist oder ob es jemals einen großen Markt geben wird.
„Die Aufregung um Festkörperbatterien deutet darauf hin, dass die bestehenden Lösungen nicht gut genug sind. Es ist offensichtlich nicht wahr. Die Verkäufe steigen jährlich um 20 bis 30 Prozent und fast jeder, der sie ausprobiert, sagt, dass sie nie wieder zurückgehen werden“, sagt Alex Brooks, Analyst bei Canaccord Genuity. „Im Moment ist es ein hochgepriesenes Forschungsprojekt.“
Toyotas jüngste Behauptung eines Durchbruchs hat die Frage neu entfacht, wie schnell Festkörperbatterien einen wesentlichen Beitrag zur Dekarbonisierung des globalen Transportsystems leisten werden. Venkat Srinivasan, Direktor des Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, einem von der US-Regierung finanzierten Labor, nennt sie auf lange Sicht den „heiligen Gral“ der Batterieindustrie.
„Aber sind diese interessanten Innovationen im Labormaßstab, die noch eine große Brücke überwinden müssen, bevor sie herstellbar sind, oder etwas, das bald in großem Maßstab hergestellt werden kann?“ er fragt. „Ich kämpfe immer noch damit.“
Ein solides Fundament
Alle Batterien funktionieren auf die gleiche Weise: Ein Strom elektrisch geladener Atome, sogenannte Ionen, fließt durch ein chemisches Material namens Elektrolyt von der Anode zur Kathode, den beiden Elektroden der Zelle, und erzeugt dabei einen Strom.
Festkörperbatterien unterscheiden sich von aktuellen Lithium-Ionen-Zellen dadurch, dass der Elektrolyt fest und nicht flüssig ist. Als potenzielle Elektrolyte werden verschiedene Materialien getestet, darunter Polymere, Oxide und Sulfide. Autos mit Festkörperbatterien wären weitaus sicherer, da bei flüssigen Elektrolyten ein höheres Brandrisiko besteht.
Ein alleiniger Austausch des Elektrolyten würde nicht zwangsläufig zu einer deutlichen Leistungssteigerung der Batterie führen. Die wahre Aufregung hängt von einer technologischen Entwicklung ab, die dadurch ermöglicht werden würde: Lithiummetallanoden. Der Ersatz des Graphits, der in aktuellen Anoden verwendet wird, würde dazu beitragen, die Reichweite der Batterie zu verdoppeln, auch weil sie leichter wäre.
Festkörperbatterien stehen seit langem vor grundlegenden technologischen Herausforderungen. Zum einen ist es schwierig, die Batterieleistung aufrechtzuerhalten und Ausfälle zu vermeiden, da wiederholtes Laden und Entladen zur Bildung von Dendriten, Lithiumansammlungen, führt, die zu Rissen führen können. Eine weitere Herausforderung besteht darin, einen stabilen Kontakt zwischen festen Materialien zu ermöglichen.
Der erste „Durchbruch“, den Toyota im Juni verkündete, bezog sich auf die Lösung der technischen Probleme der Haltbarkeit, obwohl es kaum Einzelheiten darüber gab, welche Materialien zum Durchbruch führten. Letzte Woche gab das Unternehmen eine Partnerschaft mit dem Petrochemiekonzern Idemitsu Kosan bekannt, um gemeinsam einen Sulfidelektrolyten zu entwickeln und zu produzieren, der nach eigenen Angaben der Schlüssel zur Kommerzialisierung innerhalb von fünf Jahren sein würde.
„Wir sind zuversichtlich, dass Festelektrolyte auf Sulfidbasis die vielversprechendste Lösung für Probleme mit Batterie-Elektrofahrzeugen wie Reichweite und Ladezeiten sind“, sagte Shunichi Kito, CEO von Idemitsu, auf einer gemeinsamen Pressekonferenz mit Toyota.
Wissenschaftler sind sich zunehmend einig, dass die grundlegenden technologischen Herausforderungen nicht mehr unüberwindbar erscheinen. Das macht die Skalierung für die Massenproduktion zur nächsten Herausforderung. Der Montageprozess stellt eine der größten Hürden dar, da Schichten von Kathoden-Anoden-Zellen schnell und mit hoher Präzision gestapelt werden müssen, ohne die Materialien zu beschädigen.
Auch hier haben die Toyota-Ingenieure Fortschritte für sich vermeldet. Der Konzern ist nun zunehmend zuversichtlich, dass er die Zellen mit der gleichen Geschwindigkeit stapeln kann wie aktuelle Lithium-Ionen-Batterien.
Um eine Massenproduktion in vollem Umfang zu erreichen, müssen noch weitere technische Hürden überwunden werden. „Wir brauchen noch einen Durchbruch bei der Sicherstellung der Menge und Qualität der Batteriematerialien“, sagte einer seiner Ingenieure letzten Monat während einer Werksbesichtigung.
Globale Auswirkungen
Die Einführung von Festkörperbatterien könnte tiefgreifende Auswirkungen auf die Zukunft der globalen Automobilindustrie haben.
Derzeit hat China das Potenzial, die nächste Stufe der Branche zu dominieren, da es sowohl in der Batterietechnologie als auch in der Herstellung führend ist: Nach Angaben der Internationalen Energieagentur wurden im vergangenen Jahr mehr als 75 Prozent der Batterien weltweit produziert.
CATL ist mit einem Marktanteil von 37 Prozent der mit Abstand größte Batteriehersteller der Welt. Das in Ningde ansässige Unternehmen ist der profitabelste Batteriehersteller und verfügt über einen erheblichen Kostenvorteil, der teilweise auf seine Größe und seine Investitionen in Forschung und Entwicklung zurückzuführen ist.
Festkörperbatterien könnten die einzige Möglichkeit sein, Peking im Batteriewettlauf zu überholen. Toyota ist bei weitem nicht das einzige Unternehmen, das in diese Technologie investiert. Nissan und Honda haben ihre eigenen Programme. Südkoreas drei führende Batteriehersteller – LG Energy Solution, Samsung SDI und SK On – haben alle ihre Absicht erklärt, bis Ende der 2020er Jahre solche Zellen zu entwickeln. Die US-Startups QuantumScape und Solid Power, Partner von Volkswagen bzw. BMW, haben ähnliche Kommerzialisierungsziele für ihre eigenen Technologien.
Akitoshi Hayashi, Professor an der Osaka Metropolitan University, sagt, dass es „äußerst schwierig“ sein wird, Festkörperbatterien in der gleichen Qualität wie aktuelle Lithium-Ionen-Batterien in Massenproduktion herzustellen, aber wenn dies gelingt, wird die Technologie „weltweit unschlagbar“ sein.
„Festkörperbatterien werden der Schlüssel zur Wiederbelebung japanischer Automobilhersteller sein, die bei der Elektromobilitätsstrategie im Rückstand sind, und für Japan, das Weltmarktanteile bei Lithium-Ionen-Batterien verloren hat“, fügt er hinzu.
China kontrolliert auch die Verarbeitung von Batterierohstoffen. Festkörperbatterien könnten bestimmte Schwachstellen verringern, beispielsweise die derzeitige Abhängigkeit von Graphit, für den Peking letzte Woche Exportbeschränkungen verhängt hat. Sie würden jedoch kaum dazu beitragen, die prognostizierte Lithiumknappheit zu lindern, da sie sogar mehr verbrauchen würden als aktuelle Batterien.
Branchenführer in China und Korea sind weniger zuversichtlich, dass Feststoffbatterien ihr Versprechen halten. Laut einer CATL-nahen Person arbeiten die Forscher der chinesischen Gruppe seit einem Jahrzehnt daran, Festkörperbatterien zu knacken. Sie müssen noch ein kostengünstiges System für die Massenproduktion finden – und intern bei CATL herrscht Skepsis, dass Toyota dies erreicht hat.
Koreanische Branchenführer sind sich einig. „Die Entwicklung eines Produkts und seine Kommerzialisierung sind zwei verschiedene Angelegenheiten“, sagt ein Manager. „Toyota spricht schon seit Jahren über die Massenproduktion von Festkörperbatterien [more than] 10 Jahre, aber sie verzögern den Zeitpunkt immer wieder.“
Herstellungshindernisse
Selbst wenn die Herausforderungen in Bezug auf Technologie und Skalierung bewältigt werden können, ist es eine große Ungewissheit, ob Festkörperbatterien die Produktionskosten rechtzeitig senken können, um die weltweite Einführung von Elektrofahrzeugen zu beschleunigen.
Skaleneffekte werden dazu beitragen, die Kosten zu senken. Aber auch Leistung und Kosten aktueller Lithium-Ionen-Batterien verbessern sich ständig, da andere Technologien wie Siliziumanoden Fortschritte machen. Die extreme Empfindlichkeit von Festkörperbatterien gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff könnte die Herstellungskosten hoch halten, während ihre Komplexität kostspielige Neukonstruktionen von Elektrofahrzeugen erfordern könnte.
Wenn die Kosten nicht ausreichend sinken, könnten Festkörperbatterien am Ende auf Luxusautos oder LKWs beschränkt bleiben. Kim Dong-myung, Leiter der Abteilung für fortschrittliche Autobatterien der koreanischen LGES, sagt, dass ihre Herstellung „zu kostspielig“ sei und es „sehr begrenzte Anwendungen“ geben werde. Selbst wenn alles wie geplant verläuft, können Festkörperbatterien bis 2035 nur etwa 10 Prozent des Gesamtmarktes für Elektrofahrzeuge ausmachen, schätzt Lee Kyung Sub, Leiter des Batteriematerialgeschäfts beim koreanischen Mischkonzern Posco.
Koji Sato, Vorstandsvorsitzender von Toyota, zögerte selbst, Festkörperbatterien als „einen Game-Changer“ für den Sieg im weltweiten Rennen um Elektrofahrzeuge zu bezeichnen. Sato hat angedeutet, dass Festkörperbatterien zunächst in kleinen Mengen in High-End-Modellen eingeführt werden, während Lithium-Ionen-Batterien weiterhin für günstigere Autos verwendet werden.
„Die Festkörperbatterietechnologie wird ein äußerst wichtiger Faktor für den Ausbau unserer Gesamtstärke bei den verschiedenen Batterieprodukten sein, die wir haben“, sagte Sato letzte Woche. „Aber Batterien allein werden den Wert unseres Fahrzeugs nicht bestimmen.“
Viele Führungskräfte der Branche sind sich einig, dass die Technologien, aus denen Festkörperbatterien bestehen, nach und nach in die heutigen Batterien integriert werden. CATL scheint genau das zu planen und stellt im April eine neue „kondensierte“ oder „Halbfestkörper“-Batterie mit der doppelten Energiedichte aktueller Modelle vor.
„Eine vollständig festkörperhaltige Batterie ist ein Ideal dafür, wohin wir wollen“, sagt Glen Merfeld, Chief Technology Officer bei Albemarle, dem weltweit größten Lithiumproduzenten. „Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien werden sich irgendwann so entwickeln.“
Trotz aller verbleibenden technischen Hindernisse glauben einige Beobachter, dass die potenziellen Auswirkungen tiefgreifend sein könnten. Eine Batterie mit wesentlich verbesserter Leistung könnte eine Neugestaltung vieler Aspekte der globalen Mobilität ermöglichen, von Robotaxis über die regionale Luftfahrt bis hin zu neuen Arten von Drohnen.
„Solid-State muss eine Mission erfüllen. Die Aufgabe neuer Batterien besteht niemals darin, alte Batterien zu ersetzen. Es geht darum, Dinge zu erschließen, die wir vorher nicht tun konnten“, sagt Shirley Meng, Batterieprofessorin an der University of Chicago. „Durch die Nutzung der neuen Reichweite und Ladezeit stellen sich die japanischen Automobilhersteller die Zukunft des Transportwesens neu vor.“
Zusätzliche Berichterstattung von Edward White in Seoul und Ryan McMorrow in San Francisco