Solid Power: Feststoffbatterien für BMW und Ford

Schon im März 2021 skizzierte BMW-Chef Oliver Zipse auf der Jahrespressekonferenz den Weg des bayerischen Herstellers zum nachhaltigen Auto. Dazu will der Autobauer die wirklich grüne, CO2-arme und kreislauffähige Batterien in seinen Autos einsetzen.

Entwicklungschef Frank Weber ergänzte dazu im April: "Das grünste Elektroauto der Welt wird ein BMW sein – nachhaltig von der ersten Idee bis hin zum Recycling nach der Nutzungsphase. Wir entwickeln die Batteriezelle der Zukunft: Sie wird leistungsstark, sicher, kostengünstig und kreislauffähig sein (...)". Gleichzeitig soll die Energiedichte von Batteriezellen bis zum Ende des Jahrzehnts um mindestens einen mittleren zweistelligen Prozentbereich steigen.

Investment in US-Firma Solid Power

"Wir forschen intensiv an der Feststoffbatterie-Technologie", so Weber weiter. "Bis zum Ende des Jahrzehnts werden wir eine automotive-taugliche Feststoffbatterie für den Serieneinsatz realisieren. Schon deutlich vor 2025 planen wir, ein erstes Demonstrator-Fahrzeug mit dieser Technologie zu zeigen." Die Feststoffbatterie (bei BMW "All-Solid-State-Battery", ASSB) sieht der Hersteller als Game-Changer im Automobilbereich. Auch VW hat deshalb im Lauf der Jahre bereits rund 300 Millionen Dollar in das US-amerikanische Unternehmen Quantumscape investiert.

Dagegen nehmen sich die 130 Millionen US-Dollar, die BMW im Mai 2021 zusammen mit Ford und dem Risiko-Kapitalgeber Volta Energy Technologies in eine Investitionsrunde des erst seit 2012 existierenden Feststoffbatterie-Spezialisten Solid Power aus Colorado gesteckt hat, bescheiden aus. In einer gemeinsamen Pressemitteilung hieß es seinerzeit: "Die BMW Group und Ford haben damit auch bestehende, gemeinsame Entwicklungspartnerschaften mit Solid Power erweitert, um sich Feststoffbatterien für zukünftige Elektrofahrzeug-Generationen zu sichern." Beide Autohersteller wollen demnach die kostengünstige und energiedichte Feststoffbatterie-Technologie von Solid Power in kommenden Elektrofahrzeugen nutzen."

BMW vertieft Partnerschaft

Zum Jahresende 2022 vertieft BMW seine Partnerschaft mit Solid Power sogar. Die Amerikaner erlauben BMW, "die Pilotproduktionslinien von Solid Power in ihrem eigenen Werk in Deutschland (gemeint ist das neue Kompetenzzentrum für Batteriezellfertigung CMCC in Parsdorf; d. Red.) zu duplizieren und Prototypzellen auf der Grundlage der proprietären Technologie von Solid Power zu produzieren".

Damit soll die Entwicklung bis zur Serienreife der Zelltechnologie beschleunigt sowie deren Skalier- und Kommerzialisierbarkeit vorangetrieben werden. Im Rahmen dieser Forschungs- und Entwicklungslizenz verpflichtet sich BMW, bis Juni 2024 einen Betrag von 20 Millionen Dollar (aktuell umgerechnet gut 18,8 Millionen Euro) an Solid Power zu zahlen, sofern bis dahin definierte Meilensteine erreicht werden.

Ist Solid Power schon so gut wie am Ziel?

Tatsächlich ist das Problem bei Feststoffbatterien bislang vor allem, die Zellen so zu entwickeln, dass sie massenhaft herstellbar sind. Solid Power verspricht, man nutze ausschließlich branchenübliche Lithium-Ionen-Produktionsprozesse und -anlagen und stelle aktuell bereits mehrschichtige Feststoffbatterien mit 20 Amperestunden (Ah) Kapazität auf einer "roll-to-roll-Produktionslinie" her. Ab 2022, so Solid Power im Frühjahr des Vorjahres, sollten sowohl Ford als auch die BMW Group "100 Ah-Zellen für Automobil-Qualifikationstests sowie zur Fahrzeugintegration" erhalten. Etwas, wovon VW-Partner Quantumscape noch ein ganzes Stück entfernt scheint. Aber auch bei Solid Power ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht bekannt, ob dieses Ziel erreicht wurde.

Schon Ende 2020 habe Solid Power Hunderte in Serie produzierte Feststoffzellen an Ford und BMW geliefert, die die Autobauer eingehend getestet und bewertet hätten. Das Ergebnis sei das 2021 getätigte Investment und die offizielle Vereinbarung mit den "beiden langjährigen Automobilpartnern des Unternehmens".

Das Geheimnis der Feststoff-Batterie

Worin liegen die technischen Vorteile der Feststoffbatterie? Wie der Name schon sagt, ersetzen sie den flüssigen Elektrolyten, also das Medium, in dem sich die Ionen zwischen den Elektroden hin und her bewegen, durch ein festes, in der Regel anorganisches Material. Flüssige Elektrolyte mit organischen Bestandteilen sind brandgefährlich, die Feststoffbatterie bringt also mehr Sicherheit. Und sie kommt mit größeren Temperaturen klar.

Feststoffbatterien lassen sich außerdem mit einer Metall-Anode mit hohem Lithium-Anteil aufbauen; je mehr Lithium, desto höher der Anteil an energetisch produktivem Material. In aktuellen Lithium-Ionen-Batterien muss hingegen viel Graphit an der Anode sitzen, um die Lithium-Ionen einzulagern. Denn die Ionen vergrößern sonst das Volumen und lagern sich frei in sogenannten Dendriten an: Zahnförmige Erhebungen, die die Trennschicht zum Elektrolyt durchbohren und so für einen Kurzschluss sorgen können. Der wiederum führt zum thermischen Durchgehen, also zum Brand der Zelle. Ein fester Elektrolyt ist da naturgemäß unempfindlicher. Brennbar ist er auch nicht und die Zellen lassen sich grundsätzlich einfacher produzieren. Maximilian Fichtner, Professor für Festkörperchemie am Helmholtz-Institut Ulm und Direktor des Forschungsverbunds CELEST, schränkt aber ein: "Es mehren sich Hinweise, dass der Festelektrolyt alleine noch keine Garantie dafür ist, dass sich keine Dendriten bilden, die ja zu Kurzschlüssen in der Zelle führen können." Und die Fertigung großer, ultradünner keramischer Bauteile sei auch alles andere als trivial.

BMW und Ford versprechen mehr Reichweite und weniger Kosten

Trotzdem: Wegen des hohen Lithium-Anteils ist eben auch die Energiedichte von Festkörperbatterien höher. Sie bieten also potenziell alles, wonach die Autohersteller suchen. Wie nah die Zellen von Solid Power wirklich an der Serienfertigung sind, lässt sich anhand der Veröffentlichungen von BMW und Ford derzeit genauso wenig erkennen wie an den Inhalten auf der Website von Solid Power.

Auch bei Ford hält man die Feststoff-Batterie für die Zukunftstechnologie. Ted Miller, Ford-Manager für Elektrifizierungs-Subsysteme und Stromversorgungsforschung, sagt zum Investment: "Durch die Vereinfachung des Designs von Solid-State im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien können wir die Fahrzeugreichweite erhöhen sowie das Innenraumraumangebot und Transportvolumen verbessern. Und mit niedrigeren Kosten können wir dem Kunden einen größeren Mehrwert anbieten, da diese Art von Feststoff-Batteriezellentechnologie effizient in bestehende Lithium-Ionen-Zellproduktionsprozesse integrierbar ist."

"Neue Klasse" anfangs ohne Feststoff-Akkus

BMW-Entwicklungsvorstand Frank Weber will, dass BMW "bei der Entwicklung der innovativen Batterietechnologie eine zentrale Rolle" einnimmt. Feststoffbatterien hält er für "eine der vielversprechendsten und wichtigsten Technologien hin zu effizienteren, nachhaltigeren und sichereren Elektrofahrzeugen". BMW habe die 20-Ah-Feststoffzelle gemeinsam mit Solid Power entwickelt und gehe nun den nächsten Schritt.

Unter anderem damit sollen BMW-Elektromodelle in Zukunft auf die Herstellungskosten moderner Verbrennungsmotoren kommen und mit diesen auch bei der Reichweite gleichziehen. Dazu setzen die Münchner auf hochskalierbare Baukästen, die vom Volumenmodell bis zum High-Performance-Fahrzeug reichen. Als Erstes hat BMW für 2025 die "Neue Klasse"-Architektur in Anlehnung an die ebenso bezeichneten Modelle 1500 und 1800 der 60er Jahre angekündigt, die auf einer neuen, "electric first" entwickelten Cluster Architecture (CLAR III) aufbauen soll. Da BMW die Feststoffbatterie in Serie erst in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts sieht, müssen die ersten Modelle der Neuen Klasse vermutlich noch ohne den Wunder-Akku auskommen. Es sei denn, BMW findet bei der Weiterentwicklung der ersten Prototypen noch den Turbo.