Entwicklung von Batterien einer neuen Generation: Wo stehen wir und wo geht es hin?

Bild aus dem Weißbuch Eurobat 2030 Battery Innovation Map

Mehr als dreißig Jahre nach ihrer Erfindung und der anschließenden Vermarktung wird immer deutlicher, wie Lithiumbatterien die Mobilität bis heute bereits verändert haben und wie sie das Thema Mobilität in Zukunft noch weiter revolutionieren werden. Das ehrgeizige europäische Ziel einer klimaneutralen Gesellschaft, das durch den Green Deal festgelegt wurde, zielt auf die schrittweise Elektrifizierung von Branchen ab, die heute von fossilen Brennstoffen abhängig sind, und sieht Batterien als die wichtigsten Verbündeten in dieser Mission.

Daraus erwuchs die Notwendigkeit, in Forschung und Innovation zu investieren, um die bestehenden Technologien weiterzuentwickeln und so der Marktnachfrage sowie den Bedürfnissen der zunehmend diversifizierten Branchen gerecht zu werden.

Diese neuen Entwicklungen werden die vorhandenen Technologien nicht ersetzen, sondern deren Möglichkeiten vergrößern. Die Erweiterung der Technologielandschaft wird es diesen Innovationen ermöglichen, ihr Potenzial in verschiedenen Anwendungsbereichen zu entfalten, was wiederum die Diversifizierung der Rohstoffversorgung erleichtert.

Das Entstehen europäischer Roadmaps, um die Zukunft der Batterien in Europa zu gestalten

Bei jedem großen Projekt ist ein Leitfaden, der den Weg und die Ziele klar umreißt, von grundlegender Wichtigkeit.

Auf europäischer Ebene gibt es mehrere Battery-Roadmaps, z. B. Battery 2030+ oder Eurobat, die als Orientierungshilfe bei den nächsten Schritten im Bereich Forschung und Innovation für neue chemische Konzepte und nachhaltigere sowie effizientere Materialien für Batteriezellen gedacht sind. Diese Kooperationsprojekte spielen eine zentrale Rolle bei der Stärkung der Marktposition Europas. Es werden gemeinsame Forschungsmaßnahmen durchgeführt, um die Art und Weise zu verändern, mit der wir Ultra-Hochleistungsbatterien entwickeln und bauen, die sicher, nachhaltig und für den Einsatz in realen Anwendungen erschwinglich sind.

In der Tat ist Europa in diesem Bereich gegenüber den asiatischen Ländern immer noch im Nachteil, und wenn es weltweit konkurrenzfähig sein will, muss es die derzeitige Technologielücke schließen. Die in der jüngsten Vergangenheit aufgetretenen Unterbrechungen der Versorgungsketten, die steigenden Rohstoffkosten und die Notwendigkeit für Europa, kritische Rohstoffe zu sichern, haben deutlich gemacht, wie wichtig es ist, die Entwicklung moderner Technologien für die verschiedenen Anwendungsbereiche zu diversifizieren.

Die Ziele des europäischen Fahrplans Battery 2030+

Hohe Energiedichte, mehr Sicherheit und zunehmende Nachhaltigkeit. Das sind die Ziele für die Batterien der Zukunft

Die Anforderungen an die Batterien der Zukunft sind klar und auch die Hauptziele bei der Weiterentwicklung: Maximierung der Batterieleistung bei gleichzeitiger Kostensenkung und einem hohen Maß an Sicherheit.

Neben der Suche nach einer höheren Energiedichte, Wirtschaftlichkeit und Langlebigkeit ist auch die Nachhaltigkeit von grundlegender Bedeutung. Das Ziel besteht darin, sicherzustellen, dass die ausgewählten Materialien nicht nur die unmittelbaren Leistungsanforderungen erfüllen, sondern auch mit den langfristigen Nachhaltigkeitszielen in Einklang stehen und gleichzeitig mögliche Umwelt- oder Recyclingprobleme minimiert werden, die bei der zunehmenden Anwendung dieser Materialien im Markt auftreten können.

Ziel dieser Aktion ist die Entwicklung verschiedener chemischer Konzepte mit klaren Machbarkeitsaussichten durch eine Skalierbarkeit der Produktionsprozesse. In dieser Hinsicht ist der TRL (Technology Readiness Level) ein entscheidender Indikator dafür, wie nah eine Technologie bereits an der Massenproduktion ist. Es handelt sich um eine Bewertungsmethode, die den Entwicklungsstand und die Reife einer Technologie anzeigt, d. h. inwieweit sie für die Vermarktung bereit ist. Während Technologien mit einem hohen TRL, wie LiFePO4 (LFP) und NMC, bereits gut in industrielle Prozesse integriert sind, befinden sich Technologien mit einem niedrigen TRL noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase.

Der Stand der Technik der heutigen Batterien: In welcher Generation leben wir?

Wir befinden uns derzeit batterietechnologisch gesehen in der 3. Generation, genauer gesagt in der so genannten Generation 3 a. Es gibt zwar Batteriesysteme auf dem Markt, die der Definition der „3. Generation“ entsprechen, ihre Leistung entspricht jedoch nicht den für 2030 vorgeschriebenen Standards.

Die Industrie konzentriert sich vor allem auf die industrielle Optimierung der derzeitigen NMC- und LFP-Chemie, um ein Gleichgewicht zwischen Energiedichte, Kosten und Nachhaltigkeit zu erreichen. Die Reduzierung des Kobaltanteils, die Verwendung von Siliziumanoden und der abnehmende Einsatz kritischer Materialien stehen im Mittelpunkt dieser Entwicklungen. Parallel dazu verlagert sich die Aufmerksamkeit auf die nächste Batteriegeneration, die einen besseren Kompromiss zwischen hoher Leistung, Sicherheit und geringerer Umweltbelastung verspricht.

Die Generation 3b, die ursprünglich als nächster Evolutionsschritt zur weiteren Verbesserung der Energiedichte angesehen wurde, befindet sich noch im Embryonalstadium und ist noch nicht einsatzbereit, wobei auch die Kosten, die Leistung und der Produktionsaufwand für die Entwicklung der Muster eine Rolle spielt.

Der Markt konzentriert sich derzeit auf zwei chemische Konzepte: LiFePO4 und NMC

Die Zellenproduktion konzentriert sich derzeit hauptsächlich auf zwei Schlüsseltechnologien, vor allem was den Massenmarkt anbelangt: LiFePO4 (LFP) und NMC, die jeweils auf spezifische Anwendungsbedürfnisse abgestimmt sind.

Die LiFePO4-Chemie (LFP, Lithium-Eisen-Phosphat) gewinnt aufgrund ihrer Sicherheit, Nachhaltigkeit und der langen Lebensdauer zunehmend Marktanteile und ist eine beliebte Wahl für Anwendungen, die ein ausgewogenes Kosten-Leistungs-Verhältnis erfordern.

LFP-Batterien werden auch in der Automobilbranche immer häufiger eingesetzt, da sie diese aufgrund ihrer Vorteile, d. h. der hohen Sicherheit und der niedrigeren Rohstoffkosten, zunehmend als etablierte Technologie für Fahrzeuge betrachtet. Einige bekannte Namen sind Tesla und BYD, die bereits LFP-Batterien in ihre Produktpalette integriert haben, während Hersteller wie Ford und Renault angekündigt haben, dass sie sie bald einsetzen werden.

Die NMC-Chemie (Nickel-Mangan-Kobalt) ist aufgrund ihrer hohen Energiedichte und der Fähigkeit, viel Leistung zu liefern, nach wie vor eine der am häufigsten gewählten Lösungen in der Welt der Oberklasse-Fahrzeuge. Diese Batterien haben jedoch einen kürzeren Lebenszyklus als LFP-Batterien und belasten die Umwelt aufgrund des Kobaltanteils mehr.

Die Forschung in diesem Bereich hat sich stark darauf konzentriert, den Anteil dieses kritischen und teuren Bestandteils zu verringern, wobei zunächst die Variante NMC111 entwickelt wurde, in der Nickel, Mangan und Kobalt zu gleichen Teilen enthalten sind. Bei den neueren Typen, NMC622 (60 % Nickel, 20 % Mangan und 20 % Kobalt) und NMC811, ist der Kobaltanteil deutlich geringer (10 %) und der Nickelanteil (80 %) höher.

Zukunftsperspektiven: Neue Entwicklungen in der lithiumbasierten Chemie

Für die Lithium-basierten Konzepte liegt bereits ein klarer Entwicklungsplan mit einer Reihe von ehrgeizigen Zielen und bedeutenden technologischen Entwicklungsschritten vor, was sie zu einer der wichtigsten Ressourcen macht, auf die man in Zukunft achten sollte. Tatsächlich wird diese Chemie aufgrund ihrer Vielseitigkeit und ihres erweiterten Leistungsprofils weiterhin eine der Schlüsseltechnologien bei der Erschließung neuer Anwendungen sein.

Forschungsschwerpunkte: Festelektrolyte und Siliziumanoden

Mehrere europäische Kooperationsprojekte haben zudem die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien der vierten Generation mit Festelektrolyten, mit oder ohne Lithium-Metall-Anode, als zukünftige Lösung für die Industrie zum Ziel.

Ein großer Schritt nach vorn könnte auch die Einführung von Siliziumanoden sein. Während die derzeit auf dem Markt befindlichen Lithiumbatterien hauptsächlich über Graphitanoden verfügen, zielen die nächsten Forschungsschritte auf eine Kombination der traditionellen Graphitanode mit einem Anteil an Silizium ab.

Festkörperbatterien mit Lithiummetall hätten das Potenzial, im Vergleich zu den heutigen Batterien eine doppelt so hohe Energiedichte zu bieten.

Darüber hinaus haben die jüngsten Studien auf Industrieebene gezeigt, dass die LMFP-Chemie (Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat) vielversprechende Ergebnisse liefern könnte. Es handelt sich hierbei um eine Variante der LFP-Chemie, bei der die Mangankonzentration im Kathodenmaterial 80 % erreicht, die herkömmlichen Werte liegen zwischen 50 und 70 %.

Diese neue Konfiguration bietet weiterhin das für LFP-Batterien charakteristische Sicherheitsprofil und eine um schätzungsweise 20 % höhere Autonomie.

Nachfolger der Lithium-Ionen: Vorteilhafte Technologien, die jedoch Zeit und Forschungsarbeit erfordern

Lithium-Ionen-Batterien werden heute als etablierte Technologie betrachtet, die Forschung blickt jedoch bereits in die Zukunft und entwickelt innovative Lösungen, die die derzeitigen Grenzen durchbrechen. Man spricht sogar von so genannten Lithiumionen-Nachfolgern, die es zwar schon gibt, aber noch nicht in großem Umfang produziert werden.

Unter diesen versprechen Lithium-Festkörperbatterien (Li-ASSB) mit einer Lithium-Metall-Anode, nicht zu verwechseln mit den Festkörperbatterien (die im folgenden Abschnitt erwähnt werden), erhebliche Vorteile in Bezug auf Effizienz und Sicherheit. Diese Lösungen sind zwar noch nicht vollständig eingeführt, finden jedoch bereits Anwendung in Geräten wie Smartphones und Drohnen.

Für die Zukunft sehen die Entwicklungspläne die Einführung der Lithium-Luft-Technologie vor, einer Lösung, die auf der Reaktion zwischen dem Lithiummetall und dem Sauerstoff in der Luft basiert.  Dieser Ansatz könnte zu einer erheblichen Steigerung der Energiedichte und der Batterieleistung führen. Heute ist dies jedoch noch eine ferne Zukunftsperspektive, die weiterer Studien und Experimente bedarf, bevor sie konkrete Realität werden kann.

Natrium: Eine gute Alternative für Anwendungen, die keine hohe Leistung erfordern

Natriumbatterien, die voraussichtlich nach 2025 auf den Markt kommen werden, können zwar in Bezug auf Leistung und Energiedichte nicht mit Lithium konkurrieren, könnten aber dennoch eine potenziell günstigere Alternative zu Lithium darstellen.

Wenn sich Natriumzellen auch in Bezug auf die Lebensdauer zu einer wettbewerbsfähigen Option entwickeln würden, könnten sie sich aufgrund ihrer niedrigen Kosten und geringen Energiedichte für Anwendungen wie ortsfeste Lösungen oder Elektrofahrzeuge der Einstiegsklasse mit begrenzter Autonomie eignen.

Bislang ist die Volumendichte jedoch nur etwa halb so groß wie die der LFP-Technologie, und da sie noch nicht in großem Maßstab hergestellt werden können, liegen die Kosten für Natriumbatterien derzeit noch über denen der LFP-Batterien, weshalb sie in der Praxis aus wirtschaftlicher Sicht noch nicht wirklich wettbewerbsfähig sind.

Festkörperbatterien: Mehr Sicherheit in Sicht

Wenn es um Zellen der vierten Generation geht, stehen Festkörperbatterien im Vordergrund und stoßen auf zunehmendes Interesse.

Ihre wichtigste Innovation ist der feste Separator anstelle des flüssigen Elektrolyten. Der Verzicht auf den flüssigen Elektrolyten würde nicht nur die Sicherheit verbessern, sondern auch die Brandgefahr fast vollständig beseitigen.

Diese Technologie bietet in Verbindung mit der Verwendung reiner Lithiumanoden ein enormes Potenzial für eine deutliche Erhöhung der Energiedichte, auch wenn diese Konfiguration derzeit noch mit einigen Herausforderungen aufwartet. In dieser Richtung sind Festkörperbatterien mit Lithiumanoden derzeit Gegenstand zahlreicher Studien und technologischer Entwicklungen.

Entwicklung einer neuen Generation von Batterien: eine Chance für Europa

Die Entwicklung von Zellen einer neuen Generation wirkt sich nicht nur auf die Eigenschaften der Batterien selbst aus, sondern hat auch Auswirkungen auf die gesamte Lieferkette, von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling. Eine Steigerung der Leistung und der Energiedichte auf Zellebene kann die Gesamteffizienz der Branche erheblich verbessern und gleichzeitig die führende Rolle Europas im Bereich Technologie auf globaler Ebene sicherstellen.

Europa hat sicherlich das Potential seine Kompetenzen in der Batteriebranche auszubauen und Land zu gewinnen, es ist jedoch ein Tempowechsel erforderlich, um mit Asien mithalten zu können. Dort sind die Produktionsvolumina deutlich höher und die Investitionen in Innovationen, die die Grenzen nicht nur der Technologie selbst, sondern auch der Abläufe in der Industrie verschieben, sprechen für sich. Derzeit liegen die Herausforderungen für Europa auf der Hand: Die jüngsten Entwicklungen bei den Gigafabriken für Batterien zeigen, dass das industrielle Ökosystem noch nicht bereit ist, mit den asiatischen Giganten auf Augenhöhe zu konkurrieren.

Europa könnte jedoch eine führende Rolle beim Batterierecycling für sich beanspruchen. Dieser Sektor stellt eine strategische Chance dar, denn die starke Forschungs- und Innovationsgemeinschaft hat bereits bewiesen, dass sie durchaus in der Lage ist, moderne Technologien für die Rückgewinnung von kritischen Materialien zu entwickeln.