Entwicklung von Batterien einer neuen Generation: Wo stehen wir und wo geht es hin?
18 Dezember 2024
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, die für die Dekarbonisierung und die Energiewende unverzichtbar sind.
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, die immer höhere Anforderungen an Energiedichte und Fast Charging stellen.
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 und die Resilienz der Supply Chain stärkt.
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. Diese Projekte spielen eine zentrale Rolle dabei, die Position Europas auf dem Markt zu stärken und die europäische Technologiesouveränität voranzutreiben
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 und der Gewährleistung einer hohen Energiedichte.
Neben der Suche nach einer höheren Energiedichte, Wirtschaftlichkeit und Langlebigkeit ist auch die Nachhaltigkeit von grundlegender Bedeutung. Ziel ist es, sicherzustellen, dass die ausgewählten Materialien nicht nur die unmittelbaren Leistungsanforderungen erfüllen, sondern auch mit den langfristigen Nachhaltigkeitszielen in Einklang stehen. Gleichzeitig sollen mögliche Umwelt- oder Recyclingprobleme minimiert werden, die bei der zunehmenden Anwendung dieser Materialien im Markt auftreten können, im Sinne der Kreislaufwirtschaft und des Eco-Designs.
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, inhärenter Sicherheit (Vermeidung von Thermal Runaway) 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, insbesondere im Bereich Energy Storage und für die industrielle Massenproduktion.
Die LFP-Chemie gilt inzwischen auch in der Automobilbranche als etablierter Standard, insbesondere im Mass-Market-Segment, da sie aufgrund ihrer inhärenten Sicherheit und der optimierten Kosten pro kWh erhebliche Wettbewerbsvorteile bietet. Tesla und BYD haben dabei eine Vorreiterrolle übernommen, während heute auch Hersteller wie Ford, Stellantis und Renault (über die Division Ampere) LFP-Zellen in großem Umfang einsetzen, um Elektromobilität für den Massenmarkt zugänglich zu machen.
Die NMC-Chemie (Nickel-Mangan-Kobalt) gilt weiterhin als Referenztechnologie für den Hochleistungs-Automobilsektor, da sie eine hervorragende Energiedichte und hohe spezifische Leistungen bietet. Die Kehrseite dieser Technologie ist jedoch die im Vergleich zu LFP (Lithium-Eisen-Phosphat) deutlich geringere Cycle-Life. Darüber hinaus wirft der Einsatz von Kobalt wichtige Fragen hinsichtlich der Nachhaltigkeit und der Versorgung mit kritischen Rohstoffen (Critical Raw Materials, CRM) auf.
Die Forschung in diesem Bereich bewegt sich in Richtung einer kobaltfreien Zukunft (cobalt-free) und konzentriert sich stark darauf, den Anteil dieses kritischen und teuren Bestandteils zu reduzieren. Die Entwicklung begann mit der NMC111-Chemie, bei der Nickel, Mangan und Kobalt zu gleichen Teilen enthalten sind, führte über die NMC622 bis hin zu den neuesten NMC811-Zellen. Letztere reduzieren den Kobaltanteil deutlich auf 10 %, während der Nickelanteil parallel auf 80 % erhöht wird.
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 zielen zudem auf die Entwicklung von Batterien der vierten Generation mit Festelektrolyten – mit oder ohne Lithium-Metall-Anode – ab, die von der Industrie als entscheidender Schritt für die umfassende Etablierung der Solid-State-Technologie angesehen werden.
Ein großer Schritt nach vorn könnte auch die Einführung der sogenannten Silicon Anode Technology sein. Während die derzeit auf dem Markt befindlichen Lithiumbatterien hauptsächlich über Graphitanoden verfügen, zielen die nächsten Forschungsschritte darauf ab, dieses Material mit einem Anteil an Silizium zu kombinieren, um die Kapazität zu erhöhen.
Festkörperbatterien mit Lithiummetall hätten das Potenzial, im Vergleich zu den heutigen Batterien eine doppelt so hohe Energiedichte zu bieten und die Grenzen flüssiger Elektrolyttechnologien zu überwinden.
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-Air Technology vor, einer Lösung, die auf der Reaktion zwischen 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 (Energy Storage Systems) 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.
„Um die Entwicklung europäischer Batterien einer neuen Generation zu erleichtern, wird es für Europa immer wichtiger, in Spitzentechnologien zu investieren, die eine Simulation des Batterieverhaltens und eine vorausschauende Analyse ermöglichen, wie etwa die Entwicklung digitaler Zwillinge (Digital Twins). Die Integration intelligenter Funktionen und fortschrittlicher BMS (Battery Management System) zur kontinuierlichen Überwachung des Gesundheits- und Sicherheitsstatus sowie zur Durchführung einer vorausschauenden Wartung wird bei der Entwicklung effizienterer, langlebigerer und sicherer Batterien immer wichtiger. Recycling kann hier zu einem Wettbewerbsvorteil werden, der zu weniger Abhängigkeit von importierten Rohstoffen führt und zu einer nachhaltigeren Industrie beiträgt.“
