Elektromobilität: Dem Speicher auf der Spur

Wer vom Elektroauto spricht, denkt oftmals zuallererst an die Batterie. Nicht ohne Grund, gilt sie doch als Schlüssel für die Elektromobilität. Allerdings auch als ihre Achilles­ferse, denn wie unzählige Marktbefragungen immer wieder zeigen, ist eine stärkere Kundenakzeptanz von Elektro­fahrzeugen erst bei größeren Reichweiten durch höhere Energiespeicherdichten sowie geringere Batterie- und damit Fahrzeugkosten zu erwarten. „Um die Akzeptanz zu steigern wie auch die Technologie voranzubringen, sind in diesem Zusammenhang Forschung und Entwicklung unabdingbar. Zentrale Themen sind hier Batteriesicherheit, Leistungsfähigkeit, Umweltverträglichkeit, Produktionsverfahren und die damit einhergehende Kostensenkung“, erklärt Lydia Dorrmann, Managerin zukünftige Energiesysteme und Mobilität beim VDE. Zu den technischen Fragestellungen der Batterieweiterentwicklung kommen wirtschaftliche Aspekte hinzu. Experten schätzen, dass der Antriebsakku inklusive seiner Subsysteme bis zu 40 Prozent der Wertschöpfung des Elektrofahrzeugs ausmacht. Dieses Geschäftspotenzial ruft viele unterschiedliche Interessengruppen auf den Plan, darunter Automobilhersteller und -zulieferer, Batteriehersteller und nicht zuletzt die Politik, die heimische Arbeitsplätze in der Automobilindustrie erhalten möchte.

Asien führt das Rennen um Traktionsbatterien an

Hersteller aus Japan, China und Korea investieren bereits seit Jahren in die Massenproduktion von Lithium-­Ionen-Batteriezellen. Mittlerweile dominieren sie den Markt mit einem Anteil von insgesamt 80 Prozent. Einer der großen Player ist der chinesische Zellproduzent CATL mit einem weltweiten Anteil von etwa 30 Prozent bei Lithium-Ionen-­Akkus im Jahr 2019 – Tendenz stark steigend. Das Unternehmen beliefert unter anderem BMW, Daimler, Honda, Tesla, Toyota und Volkswagen mit Batteriezellen. Ein Grund für den Erfolg von CATL sind kontinuierliche Weiter­entwicklungen der Batterietechnik. So hat Zeng Yuqun, der Chairman des Unternehmens, kürzlich einen Lithium-Ionen-Akku mit einer Lebensdauer von zwei Millionen statt üblicherweise 250.000 bis 300.000 Kilometern angekündigt, der noch in diesem Jahr in die Fertigung gehen und nur rund 10 Prozent teurer als konventionelle Batterien sein soll. Experten gehen davon aus, dass die Optimierung vor allem das Resultat von Änderungen an der Materialzusammensetzung der Kathode aus Nickel, Mangan und Kobalt und des Elektro­lyts ist. Der Ersteinsatz ist beim US-amerikanischen Hersteller Tesla zu erwarten, mit dem CATL enge ­Geschäftsbeziehungen pflegt und der seinerseits schon die Entwicklung eines Langzeitakkus in Aussicht gestellt hatte. Zudem wird CATL künftig Lithium-Eisenphosphat-Zellen an Tesla liefern. In der Regel setzen Hersteller bei E-Autos für Europa und die USA auf Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium- oder Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Mischungen, da diese Zellen bisher eine höhere Energiedichte vorweisen konnten. CATL hat die Energiedichte der Lithium-Eisenphosphat-Zellen nach eigenen Angaben jedoch um rund 15 Prozent erhöht, sodass der Einsatz nun auch im Mittelklassesegment möglich ist. Die Kostenersparnis gegenüber herkömmlichen Zellen beziffert CATL auf etwa 20 Prozent.

Im Gegensatz zu Asien und den USA war die Fertigung von Batteriezellen in Deutschland bis jetzt keine Erfolgsgeschichte – die wenigen Unternehmen, die eingestiegen sind, haben sich mit der Zeit sukzessive wieder zurückgezogen. Ein Grund ist der extrem hohe Investitionsbedarf für eine Zellfabrik bei gleichzeitig großer Unsicherheit, ob und wie schnell der technologische Rückstand auf die etablierten Player aufgeholt werden kann. Seit 2019 betreibt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) eine aktive Förderpolitik, mit der die Ansiedlung von Batteriezellfertigungen in Europa und insbesondere Deutschland unterstützt wird.

Zellfertigung bietet Einsparpotenzial

Bis zum Jahr 2022 soll eine Milliarde Euro an Förderungen fließen, um die Technologiekompetenz im Batteriebereich zu bündeln und eine wettbewerbsfähige Produktion zu etablieren. Dabei zielen die Aktivitäten auf neue Techniken und Verfahren für die nächste Batteriegeneration. Nach Angaben des Ministeriums haben sich mehr als 30 Firmen aus der gesamten Wertschöpfungskette für Förderungen beworben, darunter Volkswagen. Die Wolfsburger wollen rund eine Milliarde Euro in die Entwicklung und Fertigung von Batterien investieren. Im sogenannten Center of Excellence in Salzgitter hat Volkswagen die Verantwortung für Entwicklung, Beschaffung und Qualitätssicherung aller Batteriezellen für den Konzern gebündelt. Ende des Jahres 2019 ist dort die Pilotfertigung von Lithium-Ionen-Batterien angelaufen. Die so gewonnenen Erfahrungen bilden dann die Basis für die Massenproduktion von Batteriezellen, die Volkswagen mit Partnern umsetzen will.

Die Fertigung von Batteriezellen setzt sich aus vielen komplexen, hochautomatisierten Prozessschritten zusammen. „Die kostenoptimale Umsetzung dieser Prozesse ist vom höchster Relevanz, da der Fertigungsanteil an den Gesamtbatteriekosten, die aktuell bereits unter 150 Euro/kWh liegen, in den letzten Jahren zugenommen hat und die Batteriehersteller einem immer stärkeren Wettbewerb ausgesetzt sind“, so Dr. Fabian Duffner, Manager Technologie und Produktstrategie bei Porsche Consulting. „Eine konsequente Optimierung der bestehenden Produktionsprozesse, die Industrialisierung neuer Fertigungsverfahren, größere Stückzahlen und ein optimierter Materialeinsatz werden dazu führen, dass Batteriezellkosten zukünftig deutlich unter 100 Euro/kWh liegen werden. Elektroautos können damit mittelfristig zu geringeren Preisen als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor angeboten werden.“ In Münster entsteht dazu in Trägerschaft der Fraunhofer-Gesellschaft die unter anderem vom BMWi finanziell unterstützte sogenannte Forschungsfertigung Batteriezelle. Denn obwohl die Prozesszeiten in der Batteriefertigung schon deutlich reduziert werden konnten, bieten die Herstellungsverfahren von Lithium-Ionen-Batteriezellen noch erhebliches Potenzial zur Effizienz­steigerung, betont Dr. Kai-­Christian Möller, stellvertretender Sprecher der Fraunhofer-Allianz Batterie. Dieser Zusammenschluss von 20 Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft kann nahezu alle Schritte entlang der Entwicklungs- und Produktionskette von Batterien abdecken und optimieren. „Im Bereich der Batteriefertigung arbeiten wir an innovativen Prozessen, mit denen wir die Produktionskosten drastisch reduzieren, etwa durch eine stark automatisierte Fertigung und batteriespezifische Entwicklungen. Zudem muss man berücksichtigen, dass neue Materialien für Batteriezellen unter Umständen ganz neue Herstellungsverfahren erforderlich machen.“ Innovationssprünge im Bereich der Zellentwicklung in naher Zukunft erwartet Möller indes nicht: „Bei den Anoden, Kathoden und Elektrolyten rechne ich in den nächsten Jahren nur mit inkrementellen Verbesserungen der aktuellen Technologie.“

Um die Optimierungen der Lithium-Ionen-Technologie voranzutreiben und die Potenziale von alternativen Bauformen auszuloten, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Förderini­tiative „Batteriematerialien für zukünftige elektromobile, stationäre und weitere industrierelevante Anwendungen (Batterie 2020)“ ins Leben gerufen. Sie umfasst 240 Teilprojekte zu Metall-Ionen-Batterien sowie Metall-Schwefel-, Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Systemen. Hinzu kommen deutschlandweit unzählige weitere Aktivitäten von Forschungseinrichtungen und Unternehmen. Das MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) gilt als eines der weltweit führenden Institute bei der Lithium-Ionen-Zellentwicklung. „Die Schwerpunkte unserer Arbeit liegen auf der Erhöhung der Energiedichte, der Verbesserung der Lade- und Entladeleistung, der Lebensdauer, der Sicherheit auf Zell­ebene sowie natürlich auf Kosteneinsparungen“, so Prof. Dr. Martin Winter, Gründer und wissenschaftlicher Leiter von MEET und Sprecher der Initiative Batterie 2020. Bei der Weiterentwicklung der Kathoden von Lithium-Ionen-Zellen geht es zudem um eine Reduzierung des Kobalt-Anteils. Das Material ist aufgrund menschenunwürdiger Abbaumethoden in der Demokratischen Republik Kongo in Verruf geraten. „Die Kathodenformulierungen sind von 33 Prozent Kobalt inzwischen auf 3 Prozent gesenkt worden“, sagt Winter. Für die Anode wird unter anderem an Verfahren geforscht, dem Kohlenstoff der Anode Silizium beizumischen, um die spezifische Ladekapazität zu erhöhen.

Neben Lithium-Ionen-Zellen beschäftigt sich Winter auch mit anderen Systemen wie Lithium-Metall oder Natrium-Ionen. „Der große Vorteil der Lithium-Ionen-Batterietechnologie im Vergleich zu alternativen Speicherkonzepten ist das umfangreiche Know-how, das wir im Laufe der Zeit erlangt haben, gerade auch bei der Fertigung der Batteriezellen. Dadurch bieten Lithium-Ionen-Zellen einen Kosten- und Leistungsvorsprung, den andere Konzepte derzeit nicht aufholen können“, meint Winter.Auch Dorrmann sieht die Potenziale eher auf die Zukunft bezogen: „Die derzeit auslaufenden Forschungsprojekte hinsichtlich alternativer Zellmaterialien bilden eine gute Grundlage für weiterführende Projekte, die den nächsten Schritt Richtung Kommerzialisierung abbilden.“

Feststoffzelle wird erst langfristig kommen

Als einer der aussichtsreichsten Ansätze für die Elektromobilität der übernächsten Generation gilt die Feststoffbatterie, bei der das Elektro­lyt zur Leitung der Ionen zwischen Anode und Kathode in fester statt üblicherweise flüssiger Form vorliegt. Für ihren Einsatz sprechen höhere Speicherkapazität, kein externer Kühl- und geringer Bauraumbedarf, weniger Rohstoffverbrauch und höhere Sicherheit. Bei gleicher Größe eines aktuellen Lithium-Ionen-Batteriepakets mit Flüssig-Elektrolyt soll die Feststoffbatterie Reichweiten ermöglichen, die auf dem Niveau konventioneller verbrennungsmotorischer Antriebe liegen – bei gleichzeitig deutlich verkürzter Ladedauer.

Geforscht wird auch an den elektrischen Widerständen, die sich an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode einstellen. „Flüssige Elektro­lyte bieten einen vollflächigen Kontakt mit den Elektroden und stellen so einen sehr guten Ladungstransfer sicher. Zudem gleicht die „weiche“ Flüssigkeit Volumenänderungen der Anode aus. Um diese Eigenschaften bei einem festen Elektrolyt zu erzielen, muss man konstruktive Maßnahmen an der Zelle vorsehen“, erklärt Winter. Ein weiteres Problem der derzeit verfügbaren Feststoffzellen ist die geringe Ionenleitfähigkeit der Fest­elektro­lyte. Daher arbeitet beispielsweise Toyota an einem Festelektrolyt mit einer Leitfähigkeit, die etwa dreimal so hoch wie bei flüssigen Elektro­lyten ist. Der japanische Hersteller plant einen Einsatz dieser Technik von 2025 an. Auch Volkswagen beschäftigt sich intensiv mit der Feststoffbatterie. Der Konzern kooperiert bereits seit 2012 mit QuantumScape und hat Mitte 2020 verkündet, seine Beteiligung am US-Batteriespezialisten von bislang mehr als 100 Millionen Euro auf 300 Millionen Euro aufzustocken.

Bei aller Euphorie: Noch steckt die Feststofftechnik für Automobilanwendungen in den Kinderschuhen. Viele sehen sie erst jenseits 2030 in der Anwendung. Man sollte also nicht davon ausgehen, schon in nächster Zeit serienreife Produkte in den Händen halten zu können. „Für E-Fahrzeug-Anwendungen führt daher auch mittelfristig kein Weg an einer weiterentwickelten Lithium-Ionen-Batterie heutiger Bauform mit Flüssigelektro­lyt vorbei“, sagt Winter.

Richard Backhaus beschäftigt sich als Journalist und PR-Experte mit Themen rund um die Automobiltechnik.