E-Auto-Batterien: Toyota plant Feststoffakku für 1200 km Reichweite

Feststoffakkus gelten als nächster großer Schritt in der Entwicklung neuer Batterien für Elektroautos. Toyota hat jetzt Details zum jüngsten technologischen Durchbruch bei den Batterien aus festen Substanzen mitgeteilt: Eine elektrische Reichweite von zunächst 1000 Kilometern bei einer Ladezeit von 10 auf 80 Prozent in zehn Minuten und gleichzeitig geringem Gewicht sei möglich. Dieser Schritt werde mit den Feststoffakkus erreicht, die gerade in Entwicklung sind, so die Forschungsabteilung des japanischen Autokonzerns.

Bereits 2027 sollen die Feststoffakkus für die nächste Elektroauto-Generation zur Verfügung stehen, teilte der Konzern anlässlich der Vorstellung von Toyotas Batterie-Fahrplan mit. Auch die Kosten sollen im Vergleich zur aktuellen Batteriegeneration sinken, und zwar um 20 Prozent. Im nächsten Schritt sollen sogar 1200 km Reichweite drin sein, wenn zudem Fahrzeuggewicht sinkt und die Aerodynamik weiter verbessert wird. Das klingt nach Wunder-Akku – doch da Toyota dahintersteckt, klingt der ambitionierte Plan seriös.

Toyota stellte schon 2021 den Prototyp eines Feststoffakkus vor und investiert seitdem massiv in die eigene Batteriefertigung. Die neue Feststoffbatterie soll nun zwischen 2027 und 2028 herauskommen und Reichweiten von bis 1000 Kilometer ermöglichen. Im nächsten Entwicklungsschritt hält der Konzern 1200 km für möglich. Die eigentliche Innovation an den neuen Feststoffakkus: Die Produktion der benötigten Feststoffe wurde laut Hersteller deutlich vereinfacht. Allerdings hat Toyota bislang keine Details über Größe, Gewicht und Energieinhalt der neuen Batterie mitgeteilt. Auch wann Toyota den zweiten Schritt geht, hat der Hersteller noch nicht mitgeteilt.

Die Vorteile einer Feststoffbatterie im Vergleich zu Akkus mit flüssigen Leitersubstanzen klingen paradiesisch: kompakter wie leichterer Bau, höhere Energiedichte, weniger Komplexität, größere Sicherheit, günstigere Herstellung, hohe Ladeleistung – und möglicherweise eine fast doppelt so hohe Reichweite im Verhältnis zu den heutigen konventionellen Lithium-Ionen-Batteriezellen.

Den wichtigsten Unterschied verrät schon der Name: Feststoffakkus setzen auf feste Stoffe als Leitmedium, in dem sich die Ionen beim Laden und Entladen der Batterie zwischen den beiden Elektroden hin- und herbewegen. Wegen der möglichen Vorteile setzen schon jetzt viele namhafte Autohersteller auf spezialisierte Partner, die die Forschung und Entwicklung von Feststoffakkus vorantreiben. 

Weil Ionen in Feststoffen nicht frei umherschwimmen können, muss das verwendete Material als Elektrolyt extrem leitfähig sein. Dazu wird an verschiedenen festen Leitmedien geforscht. Einem Forscherteam der Osaka Metropolitan University in Japan ist es gelungen, die Substanz Li3PS4 in einen Dauerzustand hoher Leitfähigkeit zu versetzen. Damit sei man der Serienreife von Feststoffakkus einen Schritt näher gerückt, teilten die Forscher mit. Das Material auf Lithium-Basis ist schon länger als Elektrolyt für Feststoffakkus im Gespräch. Durch schnelles Erhitzen hatten die Forscher das Li3PS4 in einen kristallinen Zustand versetzt. Das erbrachte hohe Leitfähigkeit schon bei Zimmertemperatur – bisher gelang das nur im Hochtemperaturbereich. Wann kristallines Li3PS4 erstmals in einem Feststoffakku-Prototyp genutzt wird, sagten die Forscher allerdings nicht.

Auch Mercedes arbeitet am Feststoffakku, zunächst über die finanzielle Beteiligung am US-Feststoffspezialisten Factorial Energy. Eine hohe zweistellige Millionen-Summe hat der Premiumhersteller investiert, hieß es in einer Mitteilung. Ziel sei "die gemeinsame Entwicklung von fortschrittlichen Batterietechnologien, angefangen bei der Zelle über Module bis hin zur Integration in die Fahrzeugbatterie". Ende Januar 2022 kam eine Beteiligung an der Akkufirma Prologium aus Taiwan in ähnlicher Höhe hinzu.

Der Fahrplan zur Serienreife ist allerdings sehr großzügig gefasst: 2023 sollen erste Zell-Prototypen erprobt werden, spätestens in fünf Jahren soll der erste Einsatz in einer "begrenzten Anzahl an Fahrzeugen" erfolgen. Insgesamt will Mercedes bis zum Ende des Jahrzehnts bereit sein, vollelektrisch zu werden, und zwar "überall dort, wo es die Marktbedingungen zulassen". Eine Formulierung, die noch viele Hintertürchen offen lässt. (Überblick: die Fahrpläne aller Hersteller in Richtung Elektromobilität)

An der Partnergesellschaft Factorial Energy sind auch Hyundai/Kia und Stellantis (u. a. Opel, Peugeot, Citroën) monetär wie kooperativ beteiligt, steigt mit 176 Millionen Euro ein, um die kommerzielle Produktion und den Einsatz der Feststoffbatterietechnologie beschleunigen. Stellantis hofft, bis 2026 die erste wettbewerbsfähige Batterie auf den Markt zu bringen.

Auch für Volkswagen gilt die Feststoffzelle als aussichtsreichster Ansatz für die Elektromobilität der übernächsten Generation. Der Konzern hat in zwei Schritten stolze 300 Millionen Dollar (266 Mio. Euro) ins amerikanische Start-up Quantumscape investiert, das zu den Pionieren im Bereich der Feststoffbatterien zählt.

Quantumscape kündigte an, zwei Pilotfertigungen für insgesamt rund 200.000 Batteriezellen pro Jahr aufzubauen, um 2025 oder 2026 die Serienfertigung von Lithium-Metall-Feststoffakkus in großem Maßstab starten zu können.

Die Hoffnungen von BMW und Ford in Sachen Feststoffakku ruhen auf der Firma Solid Power. Beide Autobauer sind maßgeblich an einer Investition von 115,6 Millionen Euro mit dem amerikanischen Branchenexperten beteiligt. BMW ist außerdem federführendes Mitglied des Projekts Alano (Alternative Anodenkonzepte für sichere Feststoffbatterien).

Darin befassen sich Partner aus Industrie und Forschung, gefördert vom Bundesforschungsministerium, mit Lithiumbatterien der nächsten Generation, mit Lithiummetall als Anodenmaterial und festem Elektrolyt.

Bereits im Frühjahr 2020 stellte Samsung den Prototyp einer neuartigen Feststoffzelle vor, die ohne Lithium-Anode auskommt. Das Besondere ist ihr Aufbau: Anstelle einer konventionellen Lithium-Anode verwenden die Koreaner eine Anode mit einer Silber-Carbon-Kompositschicht.

Größter Vorteil: Neben einer höheren Batteriekapazität beugt das neue Material der sogenannten "Dendritenbildung" vor. Das sind Ablagerungen, die nach und nach zu nadelförmigen Gebilden heranwachsen können, die den Akku im schlimmsten Fall nachhaltig beschädigen.

Mit dem neuen Feststoffakku sollen Fahrzeuge mit einer Reichweite von bis zu 800 Kilometern realisiert werden. Die Batterie soll bis zu 1000 Ladezyklen überstehen, bevor sie getauscht werden muss. Zusammengerechnet würde sich eine Gesamtlebensdauer von bis zu 800.000 Kilometern ergeben – eine Fahrleistung, die selbst konventionell betriebene Fahrzeuge sehr selten erreichen.

Bis Samsung den Prototyp zur Marktreife bringt, wird es aber noch dauern. Vorher müssen alle Komponenten aufeinander abgestimmt und anschließend die passenden Produktionsprozesse geschaffen werden.