Festkörperakkus haben weniger Probleme mit Lithium-Metall und Silizium

Herkömmliche Akkus benutzen flüssige Elektrolyte, die Lithium-Ionen sehr gut leiten können. Aber Flüssigkeiten haben Nachteile: Sie sind weniger temperaturstabil, können verdampfen und den Akku aufblähen oder sogar Feuer fangen. Vor allem sind sie aber nicht kompatibel mit Metallanoden oder sehr großen Anteilen von Silizium im Akku, die sehr hohe Energiedichten ermöglichen würden.

Feste Elektrolyte leiten Lithium-Ionen bei Zimmertemperatur weniger gut als Flüssigkeiten. Eine möglichst hohe Leitfähigkeit zu erreichen, ist daher eine der großen Herausforderungen dieser Technologie.

Andererseits haben feste Elektrolyte große Vorteile. Der Elektrolyt und die restlichen Teile des Akkus halten nach Angaben von Solid Power Temperaturen von 450 Grad Celsius aus, wodurch die Akkus eng gepackt werden können und dennoch keine Kühlung benötigen. Das sind beste Voraussetzungen für Akkupacks in Sportwagen und Elektrofahrzeugen der Oberklasse, die hohe Kapazität, viel Leistung und niedriges Gewicht in sich vereinen müssen.

Anoden mit hohem Silizium-Anteil und Lithium-Metall-Anoden werden erst durch das feste Elektrolyt möglich. Denn Silizium kann sehr viel Lithium aufnehmen, schwillt dabei aber bis zum Vierfachen des eigenen Volumens an. Nach der Abgabe des Lithiums zerfällt das Silizium in kleine Teile. Das ist ein großes Problem in flüssigem Elektrolyt, weil sich auf der Oberfläche jedes Siliziumteilchens eine Kruste aus Lithiumsalzen mit einer bestimmten Dicke bildet, die sogenannte SEI (Solid Electrolyte Interface oder auch Deckschicht), wodurch dem Akku Lithium verloren geht.

Feste Elektrolyte verhindern Lithiumverluste und Kurzschlüsse

Je kleiner die Silizium-Teilchen werden, desto dicker ist die SEI im Verhältnis zum Silizium und desto schlechter wird die Leistung des Akkus. Mit einem festen Elektrolyt entsteht die SEI nicht und dieses Problem muss nicht gelöst werden, solange alle Teile der zerfallenen Silizium-Partikel noch elektrischen Kontakt zum Rest des Akkus haben.

Wenn Lithium-Metall mit einem flüssigen Elektrolyten in Kontakt kommt, bildet sich diese Kruste aus Lithiumsalzen auch. Allerdings ist sie nicht stabil und wird beim Ladevorgang immer wieder von frischem Lithium durchdrungen, auf dem sich dann wieder eine SEI bildet. Es dauert nicht lange, bis so ein Akku kaum noch Energie speichern kann. Mit festem Elektrolyt gibt es auch dieses Problem nicht. Allerdings muss der Separator dick und fest sein. Beim Ladevorgang der Metallanode entstehen kleine Metallnadeln, die Kurzschlüsse im Akku verursachen, wenn sie den Separator durchdringen können.

Druck und hohe Ladegeschwindigkeit sind noch ungelöste Probleme

Auf dem derzeitigen Stand der Technik von Solid Power ist nur die Technik der Silizium-Anode praxistauglich. Ihre maximale Laderate liegt bei 2C, was einer vollen Akkuladung in 30 Minuten entspricht, wenn sie konstant durchgehalten würde. Das Ziel liegt bei mehr als 3C, also einer Ladung in höchstens 20 Minuten. Mit der Lithium-Metall-Anode dauert das Laden des Akkus derzeit noch 10 Stunden. Vor allem der dicke Separator ist ein großes Problem. Mit dem 20 Mikrometer dünnen Separator hofft Solid Power bis zur Vorserienprouktion im Jahr 2026 auf eine Ladezeit von unter 30 Minuten.

Nachbesserungsbedarf gibt es noch bei dem Druck, mit dem die Akkuzellen im Betrieb zusammengedrückt werden müssen, um einen guten elektrischen und mechanischen Kontakt aller Bestandteile zu gewährleisten. Das ist wohl eine große Schwäche der Technik, denn Solid Power macht keine Angaben zum Druck. Die Firma sagt nur, dass er sinken soll. Auch die notwendige Betriebstemperatur liegt mit 29 Grad Celsius noch nicht im alltagstauglichen Bereich, auch wenn Solid Power offensichtlich ein Grad unter den Temperaturen der Angaben von Quantumscape liegen wollte. Auch hier helfen dünnere Separatoren. Auf dem Stand der Technik von 2017 hat Solid Power noch mit 70 Grad Celsius getestet.

Wovon weder Solid Power noch Quantumscape sprechen: In China ist die Entwicklung schon wesentlich weiter.