Die derzeit bei unseren Fahrrad-Akkus und auch bei den E-Autos verwendeten klassischen Lithium-Ionen-Akkus sind ausgereift und die Entwicklung ist ziemlich ausgereizt, weshalb die Forschung mittlerweile in Richtung Festkörperzellen geht. Als Zwischenschritt zu den reinen Festkörperbatterien wird die Semi Solid-State Battery (Halbfestkörperzellen) angesehen. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Zellen, die vollständig auf flüssigen Elektrolyten basieren, verwenden Semi-Solid-State-Zellen einen halbfesten Elektrolyten, der die Vorteile von flüssigen und festen Systemen vereinen soll.
Der chinesische Autohersteller NIO hat 2024 die Markteinführung eines Batteriepakets mit Semi-Solid-State-Zellen des Zell-Herstellers WELION angekündigt, das als eines der weltweit ersten Semi-Festkörper-Batteriepakete für Elektrofahrzeuge bezeichnet werden kann. Und hier kommt der umtriebige Kalle von NICOLAI Bikes ins Spiel: Mit seiner Firma Universal Transmissions (UT) bietet er Batteriemodule mit WELION-Semi-Festkörperzellen für E-Bikes an. Die Fertigung der Akkus soll u. a. bei EMBS in Gliwice/Polen stattfinden.
Status quo: Rundzellen 18650 & 21700
In E-Bikes dominieren aktuell zylindrische Lithium-Ionen-Rundzellen. Historisch sind 18650 (18×65 mm) verbreitet; moderner sind 21700 (21×70 mm) mit mehr Volumen pro Zelle und dadurch höherer Kapazität/Energiedichte.
Höhere Energiedichte heißt: gleiche Reichweite mit weniger Zellen oder mehr Reichweite bei gleichem Bauraum.
Pouch statt Rundzelle – Semi Solid-State-Zellen von WELION
WELION setzt bei den Semi Solid-State-Zellen auf Pouch-Formate – flache „Beutelzellen“, die man sich am besten wie eine Tafel Schokolade vorstellen kann: viele dünne „Rippen“/Schichten, kompakt gestapelt, wenig totes Volumen für Gehäuse. Der Elektrolyt ist hybrid (teils fest, teils flüssig): Ziel sind eine höhere Energiedichte,Schnellladefähigkeit und bessere Sicherheit gegenüber reinen Flüssigelektrolyt-Zellen (wie etwa Lithium-Ionen-Zellen).
Die von Universal Transmission verwendeten Semi-Solid-State-Zellen werden von WELION als E-Bike-spezifische Zellen in zwei Standardversionen mit 20,3 Ah bei 9 mm Dicke und einem Energiegehalt von 71,3 Wh (SPH380-20) sowie 25,4 Ah bei 11 mm Stärke und einem Energiegehalt von 89 Wh (SPH380-25) angeboten.
Vor- und Nachteile der Semi-Solid-State Battery im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus
Vorteile der Semi-Solid-State-Zellen
- Erhöhte Energiedichte
- Durch den teilweisen Einsatz fester Elektrolyte und dichter gepackter Elektroden können höhere Energiedichten erreicht werden (theoretisch 20–50 % mehr als bei konventionellen Lithium-Ionen-Zellen).
- Bedeutet: mehr Reichweite bei gleicher Batteriegröße.
- Bessere Sicherheit
- Der flüssige Elektrolyt-Anteil ist stark reduziert. Weniger leicht entzündlich → geringere Gefahr von Bränden oder Thermal Runaway.
- Mechanisch stabiler als Lithium-Ionen, da festkörperartige Bestandteile Kurzschlüsse durch Dendritenbildung hemmen können.
- Höhere Ladegeschwindigkeit (potenziell)
- Niedrigerer Innenwiderstand und bessere Ionenleitfähigkeit in bestimmten Designs können schnelleres Laden erlauben.
Herausforderungen bei der Verwendung von Semi-Solid-State-Zellen
- Noch nicht vollständig ausgereift
- Kommerzialisierung ist bei den Akku-Herstellern für E-Bikes noch in den Anfängen; es gibt noch keine echte Massenproduktion wie bei Lithium-Ionen-Zellen.
- Kosten und Skalierbarkeit
- Materialien und Fertigung von Semi Solid-State Batteries sind aktuell teurer als bei klassischen Lithium-Ionen-Zellen.
- Großserienfertigung steht noch bevor → Preis dürfte aktuell pro kWh höher liegen. Die Technologie ist aber nicht teurer und die Kosten dürften bei gleichen Stückzahlen sehr ähnlich bzw. gleich sein.
Vergleich der Akku-Größen von Avinox/Amflow, Bosch, Universal Transmissions-WELION und Specialized
| Avinox (Amflow) 800 Wh |
Bosch PowerTube 800 Wh |
UT-WELION SHP380-20 |
UT-WELION SHP380-25 |
Specialized Turbo Levo 840 Wh |
|
|---|---|---|---|---|---|
| Nennkapazität | 22,3 Ah | 22,2 AH | 20,3 Ah | 25,4 Ah | 15,99 Ah |
| Systemspannung | 36 V | 36 V | 35,1 V | 35,1 V | 50,96 V |
| Nominale Kapazität | 802,8 Wh | 799,2 Wh | 712,5 Wh | 891,5 Wh | 814,8 Wh |
| Gewicht kg | 3,796 | 3,932 | 3,109 | 3,624 | 4,396 |
| Abmessungen | 561 x 71 x 49 | 424 x 77 x 71 | 422 x 76 x 64 | 422 x 76 x 72 | 408 x 70 x 85 |
| Akkudichte [Wh/kg] |
211,48 | 203,25 | 229,17 | 245,99 | 190,85 |
Die o. g. Werte stammen von Avinox/Amflow, Universal Transmission-WELION bzw. wurden aus unserem Artikel „Der unfaire Wettbewerb um Akkukapazitäten bei E-MTBs“ übernommen.
Ein herkömmlicher E-Bike-Akku mit 800 Wh besteht aus ca. 40 Lithium-Ionen-Rundzellen. Der E-Bike-Akku von UT-WELION kommt bei ähnlicher Wh-Zahl (712 Wh bzw. 891 Wh) mit 10 Pouch-Zellen aus. Durch Verwendung der Semi-Solid-State-Zellen statt der bislang üblichen Lithium-Ionen-Zellen lässt sich jedoch das Gewicht des Akkus erheblich reduzieren.
Die Tabelle zeigt eindeutig, dass sich durch die Semi-Solid-State-Zellen vergleichbar große Akkus mit höherer Kapazität bei gleichzeitig geringerem Gewicht realisieren lassen.
Fragen an Kalle Nicolai
Kalle Nicolai ist als Gründer der Bike Marke NICOLAI bekannt.Weniger bekannt ist, dass Kalle 2006 die Universal Transmissions GmbH (UT) gegründet hat, um Getriebe- und Antriebstechnik (u. a. GBOXX) unabhängig von der Bike-Marke NICOLAI als OEM-Zulieferer zu entwickeln und zu vertreiben. UT positioniert sich als Entwicklungs- und Systempartner für zukunftsfähige LEV-Produkte (Light Electric Vehicles) und ist Vertriebspartner für Gates Carbon Drive und Bosch eBike Systems. 2024 ging UT eine Partnerschaft mit WELION (Beijing WeLion New Energy Technology Co., Ltd.) ein. WELION ist ein chinesischer Batteriehersteller, der zu den Pionieren kommerzieller Semi-Solid-State-Zellen, u. a. als Zell-Lieferant für NIOs 150-kWh-Pack, gilt. UT ist offizieller Distributor für WELION-Zellen im E-Mobilitätsbereich in der EU.
Wie bist du auf die Idee gekommen, dich jetzt auch noch um E-Bike-Akkus zu kümmern?
Im Rahmen unserer Entwicklungsarbeit für LEV-Produkte (elektrische Leichtfahrzeuge) waren wir auf der Suche nach leistungsfähigeren Akkus als die aus bisherigen Lithium-Ionen-Zellen. Dabei kamen wir mit dem chinesischen Zell-Hersteller in Kontakt.
Welche technischen Eigenschaften der WELION-Semi-Festkörperzellen haben dich überzeugt?
Bereits erste Laborversuche mit sehr hoher Stromentnahme haben gezeigt, dass die Semi-Festkörperzellen sich wenig erwärmt haben. Dies hat uns das hohe Potenzial dieser Zellen aufgezeigt.
Wo siehst du konkret die Vorteile im E-Bike-Alltag?
Bei gleichbleibender Sicherheit bekommt man mit diesen Semi-Festkörperzellen eine höhere Reichweite und eine höhere Ladegeschwindigkeit bei weniger Gewicht.
Verändert der Pouch-Formfaktor („Schokoladentafel“) euer Modul-Design gegenüber Rundzellen-Packs?
Nein! Wir haben zusammen mit WELION ein neues Pouch-Format aufgelegt, wodurch gleiche oder ähnliche Akkupacks realisierbar sind.
Wo liegen die Kosten der Semi-Solid-State-Module aktuell im Vergleich zu Li-Ion-Packs – und ab welcher Stückzahl erwartest du Parität?
Sobald einer der Branchengrößen im E-Bike-Segment auf diese WELION-Zellen setzt und dadurch größere Stückzahlen erreicht werden, sind sie gleich teuer.
Welche Chancen siehst du durch die UT-WELION-Partnerschaft für europäische E-Bike-Hersteller?
Die europäischen E-Bike-Hersteller haben dadurch die Chance, mit der Entwicklungsgeschwindigkeit von asiatischen Herstellern, wie etwa DJI, mithalten zu können.
Welche technischen Eckdaten peilt ihr an?
Momentan „best in class“. Den nächsten signifikanten Entwicklungsschritt erwarten wir in ca. 15 bis 24 Monaten.
Ist der Schritt zur vollen Festkörperzelle bereits absehbar – oder ist/bleibt Semi-Festkörper der nächste Industriestandard?
Meiner Meinung nach wird es im E-Bike-Segment ein schleichender Übergang sein. Es kann gut sein, dass die Festkörperzellen in Zukunft noch 2–3 % liquide sind. Dies hängt u. a. auch von gesetzlichen Normierungen in China und bei uns ab.
Wann kommt ein NICOLAI E-Bike mit Semi-Solid-State Battery auf den Markt?
Der Gentleman genießt und schweigt!
Wann kann das E-MOUNTAINBIKE-Magazin mit einem Test-Bike mit einer Semi-Solid-State Battery rechnen?
Nicht in den nächsten 12 Monaten, aber danach schon… Wir stehen mit vielen Herstellern in Kontakt.
Kalle Nicolai wurde beim Interview von Sebastian Braun, seinem Technischen Direktor (CTO), fachlich unterstützt.
Fazit
„Semi“ klingt selten nach Fortschritt – doch fürs E-Bike könnte es tatsächlich das next big thing sein. Semi-Solid-State Battery Technologie verspricht mehr Reichweite, weniger Gewicht, schnelleres Laden und mindestens genauso viel Sicherheit wie aktuelle Li-Ion-Akkus – bei ähnlichen Preisen. Damit rückt das Full-Power-E-Bike unter 20 kg in greifbare Nähe. Wie sich die neue Akku-Generation bewährt, erfahrt ihr natürlich hier zuerst.
Words: Manne Schmitt Photos: Manne Schmitt
