CATL bereitet Festkörperbatterien für 2027 vor: Ziel sind 500 Wh/kg und eine Reichweite von 1.500 km

Solid-State-Elektrolytbatterien nähern sich allmählich ihrem Höhepunkt, mit großen Versprechen im Gepäck. Die Möglichkeit, mehr Energie zu speichern, ohne das Gewicht zu erhöhen, ist äußerst attraktiv – doch die Umsetzung dieses Versprechens vom Labor in die Produktion gestaltet sich deutlich schwieriger. China scheint jedoch dabei zu sein, das Rätsel zu lösen, und Unternehmen wie der Gigant CATL arbeiten bereits in der Endphase der Entwicklung.

Laut veröffentlichten Informationen zu ihrem Entwicklungsprogramm ist der chinesische Hersteller von einer Validierungsplattform mit Zellen mit etwa 10 Ah zu Tests mit Proben mit 20 Ah übergegangen. Das ist ein Schritt in Richtung einer höheren Kapazität der Zellen – bedeutet aber noch nicht, dass bereits Batterien bereitstehen, die in Serienfahrzeuge eingebaut werden können.

CATL brachte die Serienfertigung im Jahr 2027 erneut in Betracht, wie es in einer Antwort an Investoren hieß, die am 27. Oktober auf der Hudongyi-Plattform der Shenzhen-Börse veröffentlicht wurde. Eine großtechnische Produktion ist für etwa das Jahr 2030 vorgesehen. Zwischen diesen beiden Meilensteinen steht eine wichtige industrielle Herausforderung: Funktionale Prototypen herzustellen ist eine Sache; sie kontinuierlich, zuverlässig und kosteneffizient aus einer Fertigungslinie herauszubringen, ist etwas anderes.

Das Projekt verfügt über ein Team von mehr als 1.000 Personen und strebt eine Energiedichte von etwa 500 Wh/kg an. Diese Zahl ist ein Entwicklungsziel, keine bestätigte Spezifikation für die in Serie hergestellten Zellen. Ebenso wurden weder das Volumen der ersten Chargen, die Automobilhersteller, die sie erhalten werden, noch ein Termin für den Markteintritt dieser Proben bekannt gegeben.

Zusätzlich darf die Energiedichte einer einzelnen Zelle nicht mit der des gesamten Packs verwechselt werden. Beim Zusammenbauen der Zellen müssen Strukturen, Verbindungen, Kühlsysteme und weitere Elemente hinzugefügt werden, die zum Gewicht beitragen. Deshalb lässt sich mit diesem Ziel allein nicht berechnen, wie viel Reichweite ein zukünftiges Elektroauto haben würde oder wie schwer seine Batterie sein würde.

Die Herausforderung liegt in der Langlebigkeit sowie bei der Herstellung zu einem tragbaren Kostenniveau.

Die Energiedichte ist einer der Faktoren, die am häufigsten Schlagzeilen erzeugen, reicht aber nicht aus, um festzustellen, ob eine Batterie für den Markt bereit ist. Ebenso wichtig sind die Lebensdauer, die Sicherheit, das Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen sowie der Prozentsatz der Zellen, die die Fabrik mit den vorgeschriebenen Spezifikationen verlassen. Wenn zu viele Einheiten aussortiert werden müssen, kann die Kostenstruktur eine vielversprechende Technologie unrentabel machen.

Der CATL-Präsident Robin Zeng hatte zuvor die Reifegrad der Festbatterien auf einem Niveau von 4 von insgesamt 9 eingestuft. Diese Bewertung hilft dabei, das noch bestehende Gap zwischen den Entwicklungsfortschritten und einer etablierten industriellen Anwendung zu verstehen. Die nächste Herausforderung besteht darin nachzuweisen, dass die Leistungen auch bei zunehmender Zellgröße und Produktionsvolumen erhalten bleiben.

Der Weg über feste Sulfid-Elektrolyte bietet eine gute Leitfähigkeit für Lithiumionen, stößt aber auf Schwierigkeiten bei der Kontaktaufnahme zwischen den Materialien. Während des Lade- und Entladevorgangs dehnen sich die Elektroden aus und ziehen sich zusammen. Solche Bewegungen können die Verbindungsstellen verschlechtern und den Ionenfluss erschweren, was Auswirkungen auf die Leistung und Haltbarkeit der Zelle hat.

Deshalb muss das Design Aspekte wie den Kontaktdruck und den Widerstand zwischen den Komponenten kontrollieren. Es geht nicht nur darum, Materialien zu finden, die für sich genommen gut funktionieren, sondern auch darum, sicherzustellen, dass sie nach vielen Zyklen weiterhin zusammenarbeiten. Das ist einer der Gründe, warum eine Erhöhung der Kapazität eines Probenexemplars die Probleme hinsichtlich Langlebigkeit nicht automatisch löst.

Sulfide erfordern ebenfalls eine sorgfältige Kontrolle der Feuchtigkeit. Bestimmte Reaktionen können Schwefelwasserstoff, ein giftiges Gas, freisetzen, was eine Aufmerksamkeit bei der Handhabung der Materialien sowie den Herstellungsbedingungen erfordert. Der Einsatz eines festen Elektrolyten beseitigt daher nicht alle Sicherheitsanforderungen im industriellen Prozess.

Das Erreichen so hoher Energiedichten hängt ebenfalls vom Design der Elektroden ab. Zu den Lösungen, die in der Branche erforscht werden, gehören metallische Lithiumanoden sowie Konfigurationen ohne Anode. Samsung SDI hat beispielsweise seine Arbeit mit dieser letzten Technologie beschrieben. CATL hat nicht detailliert, welche Konfiguration es in den Proben seiner neuesten Aktualisierung verwendet, sodass keine konkrete Lösung zugeordnet werden kann.

Der Zeitplan platziert CATL in der Nähe anderer großer Hersteller, obwohl ihre Ziele nicht identisch sind. Toyota und Idemitsu beabsichtigen, zwischen 2027 und 2028 Elektroautos mit Feststoffelektrolytbatterien auf den Markt zu bringen, während Samsung SDI die Serienproduktion in der zweiten Hälfte von 2027 starten will. Die Übereinstimmung der Termine bedeutet nicht, dass alle vergleichbare Produkte in derselben Menge liefern werden.