Das Rätsel der Festkörperbatterien

Stellen Sie sich vor, dass Elektromobile mit neuen Energien problemlos eine Reichweite von über 1.000 Kilometern erreichen können, die Ladezeit stark verkürzt wird und es keine Gefahr von Brand oder Explosion gibt... Das von Festkörperbatterien skizzierte Bild ist für alle Akteure im Bereich der neuen Energien äußerst attraktiv.

An diesem technologischen Wendepunkt hat ein Kampf um die zukünftige Energieordnung schon stillschweigend begonnen. Von Automobilherstellern über Batteriehersteller bis hin zu Forschungseinrichtungen und dem Kapitalmarkt – der Bereich der Festkörperbatterien ist von Konkurrenz geprägt.

In letzter Zeit hat ein Forschungsteam der chinesischen Akademie der Wissenschaften mehrere technologische Durchbrüche erzielt, die hoffentlich die "Engpässe" bei der Herstellung von All-Festkörperbatterien lösen können. Auch aus der Branche gibt es gute Nachrichten: Mercedes hat als erster Hersteller die Überprüfung der Reichweite von All-Festkörperbatterien mit über 1.000 Kilometern abgeschlossen; Chery hat erstmals ein eigenentwickeltes All-Festkörperbatteriemodul vorgestellt; Toyotas Festkörperbatterie hat offiziell die japanische Produktionserlaubnis erhalten.

In den letzten Jahren war das Konzept der Festkörperbatterie immer wieder ein heißes Thema in der Wissenschaft, der Industrie und sogar auf dem Kapitalmarkt. Doch obwohl es immer wieder in den Schlagzeilen auftauchte, hatte es auch etwas von der Geschichte "Der Junge, der Wolf schrie" – in der Propaganda hat es ein grenzenloses Potenzial, in der Realität bleibt es jedoch an kritischen Problemen wie Materialien und Kosten hängen, und der Zeitpunkt der eigentlichen kommerziellen Massenproduktion scheint noch weit entfernt. Laut einer Meldung von Jiemian News überlegt die zuständige Behörde, um Verwechslungen zwischen Halb-Festkörperbatterien und Festkörperbatterien zu vermeiden, ein neues Dokument herauszugeben, in dem "Halb-Festkörperbatterien" einheitlich als "Fest-Flüssigkeitsbatterien" bezeichnet werden.

Da stellt sich die Frage: Ist der Wendepunkt dieser Energierevolution wirklich gekommen?

Der technologische Wendepunkt ist erreicht

Im Gegensatz zu Flüssigkeitsbatterien, die auf einem etablierten System beruhen, ist die Festkörperbatterie eine umfassende Neuerung in Bezug auf das Materialsystem und das Herstellungsverfahren. Daher hat die Festkörperbatterie auch mehr Vorteile als die Flüssigkeitsbatterie: Man braucht sich keine Sorgen um thermisches Durchgehen zu machen, da sie relativ sicher ist; sie hat eine höhere Energiedichte und eine längere Reichweite; sie kann in extremen Umgebungen eingesetzt werden und lädt schneller usw.

Reichweite und Sicherheit sind gerade die zentralen Anliegen der Verbraucher von Elektromobilen. Die erste entscheidet direkt über die Bequemlichkeit der Fahrt, die zweite ist eine wichtige Quelle des Gefühls der Sicherheit bei der Wahl eines Elektromobils.

Insbesondere in letzter Zeit sind mehrere Fälle von Selbstentzündung und Explosion von Elektromobilen nach Unfällen aufgetreten, die verschiedene Automobilhersteller betreffen. Dies bedeutet, dass das Sicherheitsproblem kein Einzelfall ist. Die Festkörperbatterie kann dieses Problem gezielt lösen und wird daher natürlich zur erwarteten technologischen Richtung auf dem Markt. Sie könnte sogar ein Schlüsselmerkmal für die weitere Verbreitung von Elektromobilen werden.

Aber obwohl die Festkörperbatterie viele Vorteile hat, wird sie noch nicht in Massen in Fahrzeuge eingebaut. Dies liegt nicht daran, dass die Automobilhersteller es "nicht wollen", sondern daran, dass sie es "nicht können". Um technologische Durchbrüche zu erzielen und die Massenproduktion zu ermöglichen, gibt es noch viele ungelöste Probleme bei der Festkörperbatterie.

Einfach ausgedrückt, gibt es wesentliche Unterschiede zwischen Lithiumbatterien, die bereits in Massen in Fahrzeuge eingebaut werden (d.h. Flüssigkeitsbatterien), und Festkörperbatterien in Bezug auf Struktur und Leistung, was zu signifikanten Unterschieden in Bezug auf Sicherheit und Reichweite führt.

Die organischen Lösungsmittel in Flüssigkeitsbatterien sind brennbar und hochgradig korrosiv. Wenn eine Lithiumbatterie also gestoßen, mit Wasser in Kontakt kommt oder hohen Temperaturen ausgesetzt wird, besteht die Gefahr von Brand oder Explosion. Die Festkörperbatterie ersetzt teilweise oder vollständig den Elektrolyten durch einen Festkörperelektrolyten, was die Sicherheit und die Energiedichte der Batterie erheblich verbessern kann.

Je nach Elektrolytgehalt können Batterien in vier Kategorien unterteilt werden: Flüssigbatterien (25%), Halb-Festkörperbatterien (5% - 10%), Quasi-Festkörperbatterien (0% - 5%) und All-Festkörperbatterien (0%). Derzeit behaupten viele Automobilhersteller oder Batterieunternehmen, dass sie bereits "Festkörperbatterien in Fahrzeuge einbauen" können. Aber ob es sich um Halb-Festkörper- oder All-Festkörperbatterien handelt, scheint zwar nur ein geringer Unterschied zu sein, doch der technische Gehalt und die Leistung unterscheiden sich erheblich.

Wu Kai, Chefwissenschaftler von CATL, hat darauf hingewiesen, dass zur Industrialisierung der All-Festkörperbatterie vier Probleme gelöst werden müssen: die Kontaktierung an der Fest-Fest-Grenzfläche, die Anwendung von Lithiummetallanoden, die Instabilität von Sulfid-Elektrolyten an der Luft und die hohen Synthesekosten sowie das Herstellungsverfahren für All-Festkörperbatterien.

Das wichtigste Problem ist der Kontakt an der Fest-Fest-Grenzfläche. Da die Kontaktfläche zwischen dem Kathodenmaterial und dem Festkörperelektrolyten klein ist, wird die Übertragungseffizienz der Lithiumionen beeinträchtigt, was zu einer Verschlechterung der Batterieleistung und einer Verkürzung der Lebensdauer führt. Darüber hinaus kann ein schlechter Kontakt an der Grenzfläche leicht zur Bildung von Lithiumdendriten führen, die beim Laden und Entladen den Festkörperelektrolyten durchdringen können und so ein internes Kurzschlussrisiko schaffen.

In letzter Zeit hat ein Team um den Forscher Huang Xuejie vom Institut für Physik der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit mit mehreren Einrichtungen eine Anionen-Regelungstechnologie entwickelt, die das Problem der schlechten Kontaktierung zwischen Elektrolyt und Lithiumelektrode in All-Festkörper-Lithiummetallbatterien löst.

Das Team um Huang Xuejie hat Iodionen in den Elektrolyten eingebracht, was man als eine "besondere Klebstoff" ansehen kann. Beim Betrieb der Batterie kann es Lithiumionen aktiv anziehen und automatisch alle Spalten und Löcher füllen, sodass die Elektrode und der Elektrolyt immer eng aneinander anliegen.

Die Forscher haben auch die Grenzfläche der Batterie nach dem Zyklus genau untersucht und festgestellt, dass der dotierte Elektrolyt nach dem Zyklus einen engen physikalischen Kontakt behielt, weder Löcher noch Lithiumdendriten bildete und auch nach Hunderten von Lade- und Entladezyklen seine Leistung stabil blieb.

Zweitens gab es auch neue Durchbrüche bei den Materialien für Festkörperbatterien. Ein Forschungsteam des Instituts für Metallforschung der chinesischen Akademie der Wissenschaften hat unter Ausnutzung der Gestaltungsflexibilität von Polymermolekülen ein neues Material hergestellt, das auf molekularer Ebene eine integrierte Grenzfläche aufweist und zugfest ist.

Ein Forschungsteam der Tsinghua-Universität hat den Elektrolyten mit einem fluorhaltigen Polyethermaterial modifiziert. Die gebildete "Fluorid-Schutzschicht" kann verhindern, dass der Elektrolyt bei hoher Spannung "durchschlagen" wird.

Schließlich hat sich in den letzten zwei Jahren der Preis von Sulfid-Elektrolyten stark gesenkt, von 70.000 - 80.000 Yuan pro Kilogramm im Jahr 2023 auf 10.000 - 20.000 Yuan pro Kilogramm im Jahr 2025. Die Branche erwartet, dass der Preis im Jahr 2026 auf 7.000 Yuan pro Kilogramm sinken wird.

Ein Materialunternehmen hat auch ein neues Syntheseverfahren für Lithiumsulfid entwickelt, das hoffentlich die Herstellungskosten von Sulfid-Festkörperelektrolyten weiter senken kann und so die Voraussetzungen für die kommerzielle Massenproduktion von All-Festkörperbatterien schafft.

Wird es 2027 zur Massenproduktion kommen?

Im Labor gibt es immer wieder gute Nachrichten, und auch auf industrieller Ebene wird ein klares Zeitfenster angegeben. Das Jahr 2027 ist zu einem Schlüsselzeitpunkt für die Massenproduktion von Festkörperbatterien geworden.

Derzeit befinden sich die All-Festkörperbatterien von global führenden Herstellern wie CATL, Guoxuan High-Tech, Toyota und Samsung SDI alle in der Probefertigungsphase, und jeder Hersteller hat sein eigenes Zeitfenster für die Massenproduktion angegeben.

CATL plant, 2027 eine kleine Serienproduktion zu starten; Guoxuan High-Tech hat die Pilotproduktion begonnen und hat die Planung einer Produktionslinie mit einer Kapazität von 2 GWh gestartet; Xinwanda hat sich das Ziel gesetzt, 2027 eine Energiedichte von über 500 Wh/kg für All-Festkörperbatterien zu erreichen; Toyota hat sogar angekündigt, zwischen 2027 und 2028 reine Elektromodelle mit All-Festkörperbatterien auf den Markt zu bringen.

Es ist jedoch zu beachten, dass die meisten Marktführer nur von einer kleinen Serienproduktion sprechen. Dies bedeutet, dass es immer noch sehr schwierig ist, die Festkörperbatterie tatsächlich in Fahrzeuge einzubauen.

Um die Festkörperbatterie in die kommerzielle Anwendung zu bringen, reicht es nicht aus, dass die Forschungsteams sich bemühen, die Probleme zu lösen. Es geht auch um die Festlegung von Prozessstandards, die Kontrolle der Stabilität der Ausbeute in der Massenproduktion sowie die Anpassung an die Produktionsseite der Automobilhersteller. Dies ist ein riesiges Systemprojekt.

Erstens sind die Anforderungen an das Herstellungsverfahren und die Ausrüstung für Festkörperbatterien viel höher als für Flüssigkeitsbatterien. Daten zeigen, dass die Kosten für Flüssigkeits-Lithiumbatterien etwa 100 - 150 US-Dollar pro kWh betragen, während die Kosten für Festkörperbatterien zwischen 400 und 800 US-Dollar pro kWh liegen, also 3 - 4 Mal so hoch wie die von Lithiumbatterien.

Derzeit ist die Technologie der Festkörperbatterie noch nicht vollständig ausgereift. Dies bedeutet, dass die meisten Batteriehersteller noch eine Phase der "hohen Kosten und niedrigen Herstellungseffizienz" durchlaufen müssen, bevor sie die Kostenkurve optimieren können.

Zweitens ist die Einrichtung der Produktionslinie eine weitere Herausforderung. Die Produktionslinien für All-Festkörperbatterien unterscheiden sich stark von denen für Flüssigkeitsbatterien. Es müssen spezielle Geräte entwickelt werden, und die gesamte Produktionslinie muss in einer ultra-trockenen Umgebung betrieben werden.

Eine solche Investition mit hohen Kosten und hoher Unsicherheit kann offensichtlich nicht nur von einzelnen Batterieherstellern alleine bewältigt werden. Es bedarf einer Standardisierung des gesamten Lieferkettenprozesses und eines Gleichgewichts der Interessen.

Einfach ausgedrückt, müssen die relevanten politischen Maßnahmen umgesetzt werden, und der Markt für Elektromobile muss ein ausreichendes Volumen an Nachfrage haben. Nur durch die Einheitlichung der technischen Standards und die Verteilung der Vorlaufkosten kann die Unsicherheit in jeder Phase verringert und die tatsächliche Einrichtung der Produktionslinie gefördert werden.

Schließlich ist die Zusammenarbeit zwischen Batterieherstellern und Automobilherstellern auch von entscheidender Bedeutung. Bevor Festkörperbatterien in Fahrzeuge eingebaut werden, müssen die Automobilhersteller die Qualität, die Lebensdauer und die Sicherheit der Batterien mehrmals überprüfen. Nach der eigentlichen Produktion wird die Ausbeute und die Stabilität der Lieferkette der Festkörperbatterie entscheiden, ob eine echte Massenproduktion möglich ist.

Deshalb muss die Festkörperbatterie nicht nur von einzelnen Automobilherstellern und Batterieherstellern selbst beworben werden. Vielmehr bedarf es der gemeinsamen Anstrengung des gesamten Lieferkettennetzwerks. Es muss "gemeinsam gefeiert" werden, nicht "allein".

Es muss nicht unbedingt eine Festkörperbatterie sein

Trotzdem, während das Konzept der Festkörperbatterie gerade sehr populär ist, hat CATL auf der Quartalsbilanzkonferenz im dritten Quartal 2025 erklärt, dass es "vorerst keine Fortschritte bei der Festkörperbatterie mitteilen wird und es der Zeit überlassen wird, die Ergebnisse zu zeigen".

Noch früher wurde von außen berichtet, dass "CATL plant, 2027 Festkörperbatterien mit einer Energiedichte von 450 Wh/kg in Massenproduktion zu bringen". CATL hat selbst diese Gerüchte zurückgewiesen und erklärt, dass die Festkörperbatterie noch eine Reihe von technischen Problemen zu lösen hat. Es wird voraussichtlich 2027 eine kleine Pilotproduktion geben und um 2030 eine Massenproduktion und kommerzielle Anwendung.

CATL hat eine Art "Ich allein bin nüchtern, während alle anderen betrunken sind" - Einstellung. Ein Grund dafür ist, dass CATL genug "Karten" in