Eine neue Generation von Lithium-Schwefel-Batterien steht im Fokus des Forschungsprojekts „MaSSiF – Materialinnovationen für Schwefel-Silizium-Festkörperbatterien“. Das Projektteam widmet sich dem Design, Aufbau und der Bewertung von leichten und kostengünstigen Prototypzellen auf Schwefelbasis mit hohen Speicherkapazitäten. Der Einsatz von Silizium als Anodenmaterial soll zudem die Langlebigkeit der Batteriezellen entscheidend verbessern.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden sechs Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft mit einer Gesamtsumme von knapp 2,9 Millionen Euro. Der Startschuss für das Projekt fiel im Februar 2023.
Feststoffbatterien auf Sulfidbasis gelten als mögliche Nachfolgetechnologie für heutige Lithium-Ionen-Batterien und versprechen durch Ihre hohe Energiedichte und Stabilität eine größere Reichweite sowie Sicherheit für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Als besonders vielversprechend gilt laut den Fraunhofer-Forschern die Kombination mit Schwefel als Kathodenaktivmaterial. Ohne die kritischen Elemente Kobalt und Nickel, die in der Lithium-Ionen-Technik zum Einsatz kommen, erreiche Schwefel in Feststoffbatterien sehr hohe Energiedichten.
„Große Herausforderungen“ bringe jedoch die Anode sowohl in der Verarbeitung als auch im Betrieb der Batterie mit sich. Ziel der aktuellen Forschungsarbeiten sei es, metallisches Lithium als negative Elektroden in Feststoffbatterien einzusetzen. Die hohe Reaktivität des Lithiums begrenze jedoch die Stabilität und Sicherheit solcher Zellsysteme. Im Rahmen des BMBF-Projekts „MaSSiF“ setzen die Projektpartner daher auf ein Anodenmaterial, das sich in aktuellen Forschungsarbeiten auch im Einsatz in Feststoffbatterien als vielversprechende Alternative bewährt hat: Silizium. In der Kombination von Schwefel (bzw. Lithiumsulfid), einem Festelektrolyten und Silizium soll ein innovatives Zellkonzept entstehen, das geringe Materialkosten und hohe Energiedichte vereint.
Das Projekt „MaSSiF“ involviert Forschungseinrichtungen und industrielle Hersteller aller notwendigen Schlüsselkomponenten zur Untersuchung der grundlegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie zur Verarbeitung und Auslegung von Komponenten und Zellen. Auf diese Weise sollen Batteriezellen mit 350 Wattstunden pro Kilogramm und einer Lebensdauer von mehr als 300 Zyklen entstehen. Neben der hohen spezifischen Energie sollen sich dank günstiger, nachhaltiger Rohstoffe und einer kurzen, lokalen Lieferkette deutliche Kostenvorteile gegenüber heutigen Li-Ionen-Batterien ergeben.
Futureman meint
In Deutschland wird wie immer gerne geforscht, produziert und Geld verdient dann in anderen Ländern. Leider. Oder, zum Glück! Sonst würden Solarmodule immer noch 5 Mal so teuer und E-Autos immer noch auf der Teststrecke für den garantierten Marktstart in 5 Jahren.
Yogi meint
Mit CATLs 500Wh/kg ist bereits einiges entschieden. Das hochskaliert wird viel, sehr schnell verändern. Man mag sich vorstellen, welche Reichweiten plötzlich möglich sind. Selbst beim MEB kann ein ID4 dann 5-6h Autobahn oder mehr. Ich verstehe auch nicht, wer diese deutsche Forschung denn umsetzen soll? Schnappt sich VW das in ihren eigenen Fabriken, sofern mal 1500 Zyklen erreicht sind? Die Hochskalierung kostet wieder Zeit? Ist das konkurrenzfähig zu einem 2023 hochskalierenden 500Wh/kg CATL?
Fra p. meint
Die 500Wh/kg ist eine spezial batterie für die flugzeug industrie. Frauenhofer macht diverse forschungen das ist eine von meheren projekte. Man kann die EU Projekte unter battery2030 und die deutsche forschung unter batterieforum-deutschland finden. Da sind +1000 projekte mit diversen themen sehr intressant wenn man mehr wissen aufbauen möchte.
Futureman meint
Die bei CATL bauen aber schon die Fabriken dafür. Der Wandel wird schneller gehen, als sich die AKWler und E-Fueler vorstellen können.
Yogi meint
Ich sehe da keinen Widerspruch, ein Airbus wird sicherlich momentan mehr für die 500Wh/kg zahlen, ein VW in 2-3 Jahren dann den Rest des Produktzyklus. Es geht mir allein ums Timing. Wo skaliert Fraunhofer mit welchem Partner gerade welche 500Wh/kg Zellchemie hoch? Northvolt versucht sich meines Wissens an etwas im Bereich 400Wh/kg? Das Warten auf den heiligen Festkörpergral sehe ich da bei manchen gefährdet.
Draggy meint
Nur 300 Zyklen als Lebensdauer?
Jeff Healey meint
Das hat mich auch gewundert. 300 Vollzyklen wäre so gut wie nichts im Vergleich zu anderen Zellchemien.
ShullBit meint
Branchenriesen wie BYD beginnen in diesem Jahr damit, BEV mit Natriumzellen auszuliefern. Und in Europa dreht sich alles um Lithium. Neue Lithiumzellen von Fraunhofer. Ein neuer deutscher Staatsfond für die Finanzierung von Lithiumabbau im Ausland. Neue Fabriken zur Produktion von Lithium-NCM-Zellen.
Stand jetzt brauchen Festkörperzellen noch mehr Lithium pro Wh als Lithiumzellen mit flüssigem Elektrolyt. Die Zellen werden also teuer sein.
In spätestens 2 Jahren werden Natriumzellen wahrscheinlich so gut sein, dass sie für 80% der BEV geeignet sind. Warum konzentrieren wir uns in Europa nicht endlich darauf, die besten Natriumzellen zu designen und zu produzieren? Natrium wird garantiert nie knapp und teuer werden, weil es anders als Lithium nicht nur theoretisch in Massen verfügbar sondern auch praktisch einfach zu gewinnen ist.
Ein Mittelklasseauto mit Natriumzellen wird wahrscheinlich 5.000-6.000 Euro Preisvorteil gegenüber einem Mittelklasseauto mit Lithiumzellen haben. Wie groß sollen die Wettbewerbsnachteile denn werden, auf die wir in Deutschland und Europa zusteuern?
China will seit 20 Jahren weltweit in der Automobilbranche Fuß fassen. 20 Jahre ist China bei Verbrennern kläglich daran gescheitert. Jetzt hat China die Tools dafür und wir schauen zu und fördern mit laufenden Fehlentscheidungen das Potential für die Chinesen. China wird es industriepolitisch gnadenlos ausnutzen, wenn es einen Technologievorteil hat. Jüngst soll beispielsweise CATL die Preise für LFP-Zellen für Autohersteller gesenkt haben. Halt nur für chinesische Autohersteller. Tesla und Co. zahlen weiter höhere Preise.
libertador meint
Wenn Natrium-Zellen erfolgreich sind, nimmt das auch Druck vom Lithiummarkt. Aufgrund der etwas besseren Energiedichte wird für beides ein Markt da sein.
andi_nün meint
Es gibt keinen Druck am Lithium Markt.
Schlußendlich werden Natrium Batterien einen sehr hohen Kostenvorteil haben, NCM-Lithium Zellen werden dann nur noch für recht teure Autos Sinn machen. Im <50.000€ Bereich wird man damit nicht konkurrenzfähig sein. Im <30.000€ Bereich sowieso nicht.
Europäische Hersteller tun sich bereits mit LFP Batterien sehr schwer, bis die auf Natrium gehen ….
elbflorenz meint
China macht halt nur das, was die Amis ihnen vorgemacht haben … zurecht wie ich finde!
EVrules meint
Wie hoch soll denn die Energiedichte von den hochgelobten Na-Ion Zellen sein?
LFP hat ja schon ca. 20% geringere Energiedichte als NMC, Na-Ion haben wegen ihrer kleineren chemischen Spannungsreihe nochmals geringere Energiedichten, als LFP. Ein Model 3 SR mit 60kWh LFP wiegt nahezu gleich viel wie ein LR Modell mit über 80kWh NMC Akku.
Die Kosten der Batterie beziehen sich ja nicht nur auf die puren kWh, sondern auch auf die Masse und Menge. Wo mit steigenden Energiedichten bei NMC Zellen Kosten aufgrund Materialeinsparungen längerfristig eingespart werden kann, sind LFP und NaIon im Leistungsspektrum einfach physikalisch eingeschränkt.
Renault (Philippe Brunet) beschreibt den Kostenvorteil bei LFP zu NMC mit 10%.
Festkörperzellen werden prognostiziert nochmals günstiger, da es sich in der Regel um eine Trockenzelle handelt.
Es ist nur nachvollziehbar und logisch, dass der Weg über steigende Energiedichten geht, nicht über sinkende.
stdwanze meint
Ich denke hier hast Du einen Punkt, das Gesamtsystem und dessen preis ist ausschlaggebend. Und da ist bei NaIon einfach der Wegfall/Reduktion des Thermalmanagements was den Kostenvorteil und die Energiedichte bringt. Die Zelle ist an sich viel weniger Energiedicht wie LFP, aber lässt sich einfach dichter packen (wohl) – braucht weniger Raum und Gewicht für Kühlung etc…
Am Ende zählt aber nur der Gesamtpreis.
Jeff Healey meint
Wie sieht die Praxis und die Endrechnung aus, wenn der Natrium-Akku eine sehr hohe Ladestrom- und Zyklenfestigkeit hat?
Jeff Healey meint
Stdwanze hat es gut zusammengefasst.
Jeff Healey meint
Shullbit,
Danke für diese, wie ich finde, perfekte Zusammenfassung der Sachlage!
Wir in Europa sind längst abgehängt und absehbar für mehrere Jahrzehnte abhängig von chinesischen Akku-Herstellern wie CATL und BYD.
Es ist zu viel Zeit vergeudet worden, das viel zu lange Klammern am Verbrenner wird sich bitter rächen. Das sind Entwicklungen, welche jeder halbwegs denkende Mensch schon vor zwanzig Jahren kommen sehen konnte.