Forschung & Technologien

Perspektiven zukünftiger Batterietechnologien

Im kommenden Jahrzehnt wird die Nachfrage nach Batterien drastisch zunehmen, wenn sich Elektrofahrzeuge, tragbare digitale Elektrogeräte sowie stationäre dezentrale Energiespeicher weiter durchsetzen. Bild: Fraunhofer
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Mit der durch das BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) geförderten Roadmap „Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zukünftiger Batterietechnologien“ stellt das Fraunhofer ISI ein Update seiner Energiespeicher-Roadmaps vor. Sie widmet sich den Herausforderungen für Forschung und Entwicklung (FuE) von Hochenergie-Batterien, für welche derzeit die Zellproduktionskapazitäten weltweit massiv ausgebaut werden. Zudem zeigen Langfristpotenziale auf, ob und welche Technologien jenseits 2030 in den Markt kommen könnten.

Im kommenden Jahrzehnt wird die Nachfrage nach Batterien drastisch zunehmen, wenn sich Elektrofahrzeuge, tragbare digitale Elektrogeräte sowie stationäre dezentrale Energiespeicher weiter durchsetzen. Allein Europa könnte mit einem Anteil von 20 bis 30 Prozent der globalen Nachfrage dazu beitragen, dass Zellproduktionskapazitäten von mindestens 200 GWh bis in den TWh-Bereich bis etwa 2030 an europäischen Standorten aufgebaut werden müssen. Die derzeit für Europa angekündigten Kapazitäten asiatischer und europäischer Zellhersteller können diese Nachfrage nicht bedienen. Mit Blick auf die internationalen Lieferketten von den Rohstoffen bis zum Recycling und der Wiederverwertung müssen sich die Batterieindustrie und davon abhängige Systemintegratoren dringend auf diese Entwicklungen vorbereiten.

Wie derartige Entwicklungen oder konkrete zu lösende Herausforderungen für die Technologieentwicklung von Lithium-Ionen- beziehungsweise Lithium-basierten-Batterien der kommenden 10 bis 15 Jahre aussehen könnten, benennt die normative Roadmap Hochenergie-Batterien 2030+. Dabei wird aufgezeigt, wie ein sukzessiver Wechsel aller Zellkomponenten (Kathode, Anode bis Elektrolyt/Separator) bis hin zu Feststoffbatterien erfolgen kann, um die Anforderungen an höhere Energiedichten zu erfüllen und insgesamt den Energiedurchsatz im Batteriesystem zu verbessern. Dabei muss eine Optimierung durch das Zusammenspiel der Zellmaterialien und -komponenten erfolgen und zudem die Entwicklungen bis auf Zell- und Systemebene sowie die Anwendungsintegration miteinbezogen werden.

Mit nickelreichen- und Hochenergie-NMC-Kathoden sowie mit auf Si/C-Kompositen basierenden Hochkapazitätsanoden mit bis zu 20 Prozent Si-Anteil dürften bis 2030+ optimierte Lithium-Ionen-Batteriezellen mit 300-350 Wh/kg gravimetrischer und 1000 oder mehr Wh/l volumetrischer Energiedichte erreichbar sein. Die Zellkosten dürften dann im Bereich von 70-100 €/kWh liegen. Dabei werden sich die Leistungsparameter der Zellformate zylindrisch, prismatisch und Pouch auf Modulebene zunehmend angleichen.

Hybride und keramische Feststoffbatterien

Feststoffbatterien mit Li-Metall-Anoden können langfristig mit noch höheren Energiedichten auf den Markt kommen. Die Entwicklungen sind aber mit Risiken behaftet und erfordern Forschungs-Anstrengungen zu geeigneten Elektrolytmaterialien, neuen Materialdesigns und Produktionstechnologien. Bei Elektrofahrzeug-Anwendungen stehen hybride und keramische Feststoffbatterien im Fokus und könnten ab 2030 Marktreife erlangen.

Allerdings sind mit der Entwicklung von Hochenergie-Batterien auch Risiken verbunden, wie zum Beispiel die Gefahr einseitiger technologischer Abhängigkeiten. Bereits heute versuchen sich einige Hersteller den Zugang zu zentralen Batterierohstoffen wie Kobalt und Lithium für die kommenden Jahre zu sichern. Langfristig werden Aspekte der Ressourcenverfügbarkeit und Nachhaltigkeit immer mehr an Bedeutung gewinnen und sich die Frage nach der Rohstoffsubstitution und Verfügbarkeit alternativer Technologien stellen.

Die explorative Roadmap hebt durch das Aufzeigen von Langfristperspektiven zukünftiger Batterietechnologien, welche meist an disruptive Lösungsansätze geknüpft sind, realistische Entwicklungsrichtungen für alternative Batterietechnologien hervor. Zwar ist eine große Palette an alternativen Technologien vorhanden, allerdings bestehen in der Praxis noch viele ungelöste Herausforderungen, wie fehlende geeignete Elektrolyte, welche die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien und auch das Elektrodendesign begrenzen. Zudem sind Fragen einer künftigen produktionstechnischen Umsetzung in der Regel noch völlig offen.

Fokus auf Nachhaltigkeitsaspekte

Forschungsaktivitäten im Bereich alternativer Batterietechnologien sind jedoch wichtig, denn neben möglichen technischen Fortschritten ist auch eine Anpassung oder Neubewertung der Anforderungen an Energiespeichertechnologien mit einem stärkeren Fokus auf Nachhaltigkeitsaspekte zukünftig nicht auszuschließen. Auch bei schlechteren Leistungsparametern könnten solche Lösungen zum Beispiel mit Blick auf Ressourcenverfügbarkeit und Kosten zukünftig Alternativen darstellen.

Mit der auf den Einsatz in Elektrofahrzeugen fokussierten Roadmap Hochenergie-Batterien 2030+ sowie der auf sonstige Anwendungen, eine erweiterte Bewertung der Leistungsparameter und Potenziale gerichteten Betrachtung der Langfristperspektiven zukünftiger Batterietechnologien soll die Entwicklung einer langfristigen Forschungsstrategie für den Standort Deutschland unterstützt werden. (ig)

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