AleaSoft Energy Forecasting, 19. Dezember 2025. Li-Ionen-Batterien dominieren die Energiespeicherung in elektronischen Geräten, Fahrzeugen und der Stromversorgung. Das Aufkommen von Festkörperbatterien verspricht jedoch eine Revolution in diesem Sektor, da sie eine höhere Energiedichte, Effizienz und Sicherheit sowie eine geringere Umweltbelastung bieten. Ihre Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Elektrofahrzeuge und Industrien, bringt jedoch auch technische und fertigungstechnische Herausforderungen mit sich, die bewältigt werden müssen, um ihre breite Einführung zu konsolidieren.
Li-Ionen-Batterien (LIB) sind in allen Bereichen vertreten, in denen Energiespeicherung erforderlich ist: elektronische Geräte, Fahrzeuge, Stromversorgung und sogar Luft- und Raumfahrtprojekte wie das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST). Diese Technologie könnte mit dem Aufkommen anderer Batteriemodelle Konkurrenz auf dem Markt bekommen. Zuvor wurden Nickel-Wasserstoff-Batterien als Hauptkonkurrenten für Großprojekte analysiert. Diese sind jedoch für kleinere Projekte oder Elektrofahrzeuge nicht optimal geeignet. Um den Mangel an Wettbewerb in diesen Bereichen auszugleichen, kommen Festkörperbatterien (SSB) zum Einsatz. Diese haben eine höhere Energiedichte als LIBs, benötigen weniger Volumen, um die gleiche Energiemenge zu speichern, verlängern die Lebensdauer der Batterien und bieten bessere Stabilitäts- und Sicherheitsbedingungen.
Höhere Energiedichte
Festkörperbatterien ersetzen den flüssigen Elektrolyten zwischen Anode und Kathode in LIBs durch einen festen, in der Regel keramischen Elektrolyten. Das Fehlen der brennbaren Flüssigkeit verringert potenzielle Sicherheitsrisiken wie Brände oder Leckagen und macht sie weniger empfindlich gegenüber extremen Temperaturen. Tatsächlich sind sie aufgrund ihrer Fähigkeit, die Ionenleitfähigkeit bei Temperaturen unter Null aufrechtzuerhalten, besonders effizient bei niedrigen Temperaturen.
Ihre Energiedichte in Modellen für Elektrofahrzeuge liegt zwischen 250 und 800 Wh/kg, verglichen mit 160 bis 250 Wh/kg bei Lithium-Ionen-Batterien. Da sie zudem kompakter sind, benötigen sie 33 % weniger Platz und wiegen 40 % weniger (bei Modellen mit etwa 450 Wh/kg). Ihre höhere Leitfähigkeit sorgt für einen schnelleren Ladevorgang und weniger Wärmeentwicklung. Ein schnell aufladbarer Li-Ionen-Akku benötigt etwa 30 bis 60 Minuten, um sich zu 80 bis 100 % aufzuladen, während ein SSB nur 10 bis 20 Minuten benötigt.
Ihre höhere Energiedichte, Leitfähigkeit und Beständigkeit gegen Dendritenbildung sorgt für eine längere Lebensdauer und höhere Effizienz. LIBs haben nach etwa 8000 Lebenszyklen einen Wirkungsgrad von weniger als 60 %; SSBs könnten unter optimalen Bedingungen nach 30.000 Zyklen (30 Jahren) einen Wirkungsgrad von 90 % beibehalten. Diese Eigenschaften erhöhen auch die Reichweite der Fahrzeuge. Die Hersteller schätzen, dass mehr als 1000 km ohne Aufladen zurückgelegt werden können. Auch die Selbstentladung verbessert sich und liegt bei 2-3 % pro Jahr gegenüber 2-10 % pro Monat bei LIB. All diese Eigenschaften machen sie für die Langzeitspeicherung nützlich.
Reduzierung der Emissionen von CO2 und anderen Schadstoffen
Die Emissionen von Straßenfahrzeugen, die fossile Brennstoffe verwenden, tragen zu 15 % zu den gesamten globalen Kohlenstoffemissionen bei. Damit die Regierungen die vorgeschlagenen Nachhaltigkeitsziele erreichen können, sind Anstrengungen in allen möglichen Bereichen erforderlich. Die Auswirkungen des Klimawandels müssen schneller bekämpft werden als bisher, da die 1,5 °C-Marke gegenüber den vorindustriellen Werten bereits überschritten wurde. Eine der vorgeschlagenen Maßnahmen zur Abschwächung dieser Auswirkungen besteht darin, dass ab 2035 nicht mehr als 10 % aller verkauften Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ausgestattet sein dürfen und dass sichergestellt wird, dass deren Herstellung und Emissionen nur minimale Auswirkungen haben (ein Abkommen, dem sich nicht alle Länder angeschlossen haben).
Die Herstellung von Batterien ist ein umweltschädlicher Prozess. Die Herstellung einer Festkörperbatterie erfordert weniger Materialien als eine LIB, wodurch die Klimaauswirkungen der Batterie im Vergleich zu ihrem Konkurrenten um bis zu 39 % reduziert werden. Die Verwendung langlebigerer, effizienterer und kompakterer Batterien reduziert die Umweltbelastung und den CO2-Fußabdruck, da sie in Bezug auf Volumen und Nutzungsdauer mehreren Li-Ionen-Batterien entsprechen.
Da Fahrzeuge keine Schadstoffe mehr ausstoßen, richtet sich das Augenmerk nun auf eine andere Quelle der Umweltverschmutzung, die durch ihren Gebrauch entsteht: die Verschmutzung durch Reifenabrieb. Durch den Verschleiß aufgrund langjähriger Nutzung und die Reibung auf der Straße werden Mikroplastik und giftige Substanzen (Zink, Schwermetalle oder 6PPD-Chinon) in die Umwelt freigesetzt. Der Anteil dieser Emissionen wird auf ein Viertel der insgesamt erzeugten Mikroplastikpartikel geschätzt. Diese Partikel gelangen in Flüsse, Meere und Böden und verschmutzen die dort lebenden Ökosysteme sowie die Fauna und Flora. Dies hat letztlich auch Auswirkungen auf den Menschen, sowohl durch direktes Einatmen als auch durch den Verzehr kontaminierter tierischer Produkte. Um diese Emissionen zu reduzieren, ist es neben einer weniger aggressiven Fahrweise und der guten Wartung der Reifen wichtig, das Gewicht der Fahrzeuge zu reduzieren. Da die Batterie die schwerste Komponente eines Elektrofahrzeugs ist (wodurch das Fahrzeug mehr wiegt als ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor), würde eine so erhebliche Verringerung ihrer Masse, wie sie durch SSB erreicht werden kann, dazu beitragen, dieses Verschmutzungsproblem deutlich zu bekämpfen.
Herausforderungen für SSB
Bei jedem Lade- und Entladevorgang dehnt sich die Batterie aus und zieht sich wieder zusammen, wodurch die Komponenten, aus denen sie besteht, einer mechanischen Belastung ausgesetzt werden, die zu Delaminierung, struktureller Verschlechterung und Pulverisierung der Materialien führen kann. Aufgrund dieser Verformung kann der Elektrolyt Risse bekommen oder brechen, wodurch sich der elektrische Widerstand des Materials erhöht und seine Effizienz verringert wird. Je nach dem für die Batterie verwendeten Material sind diese Verformungen mehr oder weniger stark ausgeprägt.
Die Verwendung eines festen Elektrolyten erschwert einen guten Kontakt zwischen den Oberflächen der Batteriekomponenten (Grenzflächenimpedanz) im Vergleich zu einem flüssigen Elektrolyten, der sich an die Kontaktflächen anpassen kann. Um diesen Effekt auszugleichen, werden Kohlenstoffadditive verwendet oder Druck ausgeübt. Die Aufrechterhaltung dieses Kontakts während des Batteriebetriebs ist aufgrund von Volumenänderungen während des Lade- und Entladevorgangs schwierig, insbesondere bei Materialien mit höherer Kapazität, die auch die größten Volumenänderungen aufweisen.
Der Herstellungsprozess von SSB-Batterien ist kostspieliger und komplexer als der von LIB-Batterien. Das liegt zum einen daran, dass das als Elektrolyt verwendete feste Material teurer in der Herstellung ist als ein flüssiger Elektrolyt. Hinzu kommt die Komplexität der Skalierung des im Labor entwickelten Modells auf die Großserienfertigung. Die Herstellung von SSB unterscheidet sich von der von LIB und stellt Anforderungen, die es notwendig machen, die Prozesse der Montagelinie ohne einen Präzedenzfall oder einen definierten Standard zu entwickeln. Die Produktion hat Probleme, die Qualitätsstandards bei der Großserienfertigung zu erfüllen, was zum Teil auf die hohe Feuchtigkeitsempfindlichkeit von SSB zurückzuführen ist. Wenn Feuchtigkeit in die Batterie eindringt, führt dies zu Leitfähigkeitsverlusten, Rissen, Korrosion und Kurzschlüssen. Die Häufung dieser Faktoren macht die Herstellungsprozesse sehr anspruchsvoll und bis zu dreimal so teuer wie die von LIBs.
Die Automobilbranche an der Spitze der Entwicklung von SSB
Die Welt bewegt sich in Richtung Elektrifizierung und Dekarbonisierung, ein Prozess, von dem auch die Automobilbranche nicht unberührt bleibt. Es ist nicht nur notwendig, die Prozesse in Industrie und Verkehr auf Alternativen umzustellen, die keine Treibhausgase erzeugen, sondern dies auch auf eine Weise zu tun, die für alle Beteiligten, einschließlich der Umwelt, von Vorteil ist. Der Einsatz von Batterien ist die Schlüsselkomponente dieser Energiewende, um ihr Potenzial voll auszuschöpfen. Viele Länder sind bereits voll in diesen Prozess eingebunden, wie beispielsweise Spanien mit dem Plan Auto 2030, der den Übergang zum Elektrofahrzeug fördert, die spanische Automobilindustrie stärkt und eine nachhaltige, zugängliche und mit den Emissionsreduktionsverpflichtungen im Einklang stehende Mobilität gewährleistet. Die Umsetzung dieser Maßnahmen zeigt sofortige Wirkung, da sich die Zahl der Ladestationen für Elektrofahrzeuge auf der Halbinsel in diesem Jahr verdoppelt hat.
SSB könnten sich zu einem starken Konkurrenten für LIB auf dem Energiespeichermarkt entwickeln. Da sie eine höhere Energiedichte, ein geringeres Volumen und Gewicht sowie eine höhere Sicherheit aufweisen, gelten sie als deren logischer Nachfolger. Die größten Probleme sind ihre Zerbrechlichkeit, hohe Produktionskosten und Schwierigkeiten bei der Herstellung in großem Maßstab. Es sei daran erinnert, dass sich SSB noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase befinden, sodass diese Probleme nach und nach gelöst werden dürften.
Um die mechanischen Probleme zu beheben, wird mit verschiedenen Materialien für Anode, Kathode und Elektrolyt experimentiert, wie beispielsweise Silizium oder verschiedene Polymere. Auch andere Optionen werden in Betracht gezogen, wie beispielsweise Halb-Festkörper-Batterien, die weniger als 10 % flüssigen Elektrolyt enthalten. Diese Lösung gleicht die Probleme der Volumenänderung und des Kontakts zwischen den Oberflächen der Komponenten aus, verringert jedoch im Gegenzug die Energiedichte der Batterie und macht den Herstellungsprozess der Batterie noch komplexer.
Auch die Herstellungskosten und -prozesse werden im Laufe der Zeit optimiert und kostengünstiger werden. Viele der großen Automobilhersteller sowie neue, vor allem in China ansässige Marken investieren einen Teil ihres Kapitals in die Forschung im Bereich Festkörperbatterien. Einige haben bereits angekündigt, dass ihre ersten Modelle mit dieser Technologie ab 2027 oder 2028 auf den Markt kommen werden. Diese hohen Investitionen und der starke Wettbewerb werden zu einer rasanten Entwicklung der Branche führen, und die besseren Leistungsmerkmale der neuen Fahrzeuge werden sie gegenüber den aktuellen Verbrennungsmodellen wettbewerbsfähig machen und die Elektrifizierung der Branche vorantreiben.
AleaSoft Energy Forecasting als Referenz für die Entwicklung des Marktes für Energiespeicherung
Die Eigenschaften von SSBs machen sie nicht nur für den Elektrofahrzeugsektor attraktiv, obwohl sie angesichts der aktuellen Investitionsentwicklung zunächst in diesem Sektor auf den Markt kommen werden. Später ist eine Ausweitung auf andere Sektoren geplant, nicht nur auf den Transportsektor, Drohnen oder elektronische Geräte, sondern auch auf die Bereiche Industrie, Stand-alone-Speichersysteme, Rechenzentren oder Hybridisierung mit erneuerbaren Energien.
Die Abteilung AleaStorage analysiert die Durchführbarkeit von Projekten zur Speicherung mit Batterien, sowohl als Stand-alone-Lösung als auch in Hybridisierung mit erneuerbaren Anlagen. Dank der Kombination aus einem Team aus Experten aus den Bereichen Forschung und Energie und einem eigenen Hybridmodell für Prognosen, das künstliche Intelligenz nutzt, um Simulationen von Tausenden möglicher Szenarien zu erstellen, ist das Unternehmen in der Lage, sich an die Marktentwicklung anzupassen und diese zu antizipieren, um robuste und zuverlässige Prognosen zu erstellen. AleaSoft Energy Forecasting ist der wichtigste Partner, um die Energiewende mit Hilfe eines Experten voranzutreiben, der sich für den Prozess engagiert und über die besten Werkzeuge verfügt, um ihn umzusetzen.
Quelle: AleaSoft Energy Forecasting.