Neue Materialien: So sieht die Batterie der Zukunft aus

Batterien für die Elektromobilität stehen derzeit hoch im Kurs. Deshalb wird auch emsig geforscht, aus welchen Materialien das optimale 'Paket' für eine hohe Energiedichte, kleiner Baugröße und viel Sicherheit zu möglichst niedrigen Kosten produzierbar ist. Forscher der RWTH Aachen wagen einen Blick in die Zukunft.

Dazu bezieht Valentin Mussehl vom Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen Stellung: „Bezogen auf die Materialien für Batterien der Zukunft, denke ich an einen Mix. Es wird nicht die eine Batterie der Zukunft geben, denn dafür sind die Interessen und Anwendungen zu verschieden.“

Viele Unternehmen haben laut Mussehl die Sorge, in eine Technologie zu investieren, der in fünf Jahren der Rang abgelaufen werden könnte und sie demnach umsonst Millionen investiert hätten. Das sieht er jedoch anders, denn „wir sind der Meinung, dass es so nicht kommen wird, sondern dass es immer einen Mix von Technologien geben wird. Derzeit teilen auch verschiedene Batterietechnologien den Markt unter sich auf - und das wird sich nicht ändern. Wir gehen nicht davon aus, dass sich eine Technologie ganz klar durchsetzen wird.“

Bei den verschiedenen Technologien beziehen sich die Forscher grundsätzlich auf Lithium-Ionen-Batterien. „Wir haben aber verschiedene Zellchemien, vor allem derzeit auf der Kathoden-Seite. Da ist Nickel-Mangan-Kobalt in Europa sehr beliebt. Die Kathode besteht somit aus Lithium und Nickel-Mangan-Kobalt, die Anode nach wie vor größtenteils aus Graphit, gelegentlich mit einem geringen Siliziumanteil“, führt Mussehl aus.

Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP-Batterie)

In China gibt es laut dem Forscher größtenteils die Lithium-Eisenphosphat-Batterie. Diese LFP-Batterie habe man in Europa lange Zeit belächelt. „Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie hat weniger Energiedichte, somit ist die Reichweite des Autos bei der gleichen Masse der Batterie geringer“, beschreibt der Forscher. Sie habe dafür aber große Vorteile, was Langlebigkeit angeht und auch was die Sicherheit angeht. „Inzwischen sind zwar alle Batterien sicher, aber wenn man die beiden Zellchemien eins zu eins vergleicht, dann ist die LFP-Batterie thermisch und chemisch deutlich sicherer und stabiler“, bilanziert Mussehl.

Vorsprung hoher Energiedichte von Festkörperbatterien schwindet

„Vor ein paar Jahren hat es noch geheißen, dass die Solid-State- oder Festkörperbatterie auf jeden Fall kommt. Mittlerweile hat sich aber herausgestellt, dass durch den generellen Technologiefortschritt deren Vorteil der höheren Energiedichte immer kleiner wird. Deswegen kann man gar nicht mehr genau sagen, ob die Festkörperbatterie tatsächlich den riesigen technologischen Fortschritt haben wird - bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit", beschreibt Mussehl.

Dazu ergänzt Timon Elliger, Research Assistant Battery Components & Recycling beim PEM der RWTH: „Der Vorteil wäre zwar theoretisch immer noch da, aber er ist einfach nicht mehr so groß, wie er vielleicht noch vor fünf Jahren gewesen wäre.“ Dabei sei die Festkörperbatterie materialseitig nicht wesentlich anders als die anderen Batterien.

„Das ist eher eine Frage der Produktion. Sowohl die Kathode als auch die Anode bleiben vom Material unverändert. Anode und Kathode sind über einen Elektrolyten verbunden. Dazwischen ist ein Separator, der die beiden Schichten trennt, den Transport der Ionen übernimmt ein Elektrolyt. Der ist in heutigen Batterien immer flüssig. Und diese Flüssigkeit kann durch einen Feststoff ersetzt werden. Dann reden wir von einer Festkörperbatterie“, sagt Elliger.

Anode und die Kathode bestehen bereits aus Feststoffen

Das heißt, dass die Anode und die Kathode heute schon aus Feststoffen bestehen. „Es geht 'nur' um den Ersatz des Elektrolyts. Der Vorteil eines Feststoffs liegt unter anderem in seiner höheren Dichte. Dadurch kommt die höhere Energiedichte zustande“, beschreibt Elliger.

Ein weiterer Vorteil sei, dass der heutige flüssige Elektrolyt bei einer Erhöhung der Temperatur irgendwann anfängt zu vergasen. „Das heißt, wenn das Elektrolyt seinen Siedepunkt erreicht, dann wird die Batterie thermisch instabil, da sich diverse Gase bilden. Bei einem Feststoff ist das weniger kritisch", so Elliger.

Produktion der Festkörperbatterie als Herausforderung

„Die Schwierigkeit dabei ist derzeit die Produktion und die Langlebigkeit der Zellen. Eine Herausforderung besteht aktuell darin, die im Labor funktionierenden Herstellungsprozesse jetzt im großen Maßstab umzusetzen“, erläutert Elliger.

Da sei man gerade in der Transitionsphase, denn es gebe jetzt erste Hersteller. „So hat NIO angekündigt, dass gegen Ende des Jahres zum ersten Mal tatsächlich eine Festkörperbatterie gekauft werden kann. Das heißt, ja, es wird sie in Zukunft geben“, gibt sich Elliger überzeugt.

Festkörperbatterie nur für die Oberklasse umsetzbar

Aber sie sei aktuell noch sehr teuer. So teuer, dass sie - wenn überhaupt – nur in der absoluten Oberklasse Marktanteile erreichen könne. Elliger stellt auch klar, dass sich die ganzen Produktionsprozesse nicht einfach auf Festkörperbatterien umstellen lassen. „Das heißt, man braucht wirklich neue Produktionsprozesse. Demnach werden die Firmen, Hersteller und Produktionsprozesse, die es aktuell gibt, nicht schnell verschwinden. Selbst wenn NIO das jetzt marktreif umsetzen kann, wird es in den nächsten fünf Jahren keine große Rolle spielen, bis es eben einen relevanten Marktanteil erreicht“, prognostiziert der Forscher.

Semi-Solid-State-Battery als Zwischenlösung

Deswegen gebe es noch Zwischenlösungen wie zum Beispiel die Semi-Solid-State-Battery. „Das ist eine Batterie, in die der Elektrolyt flüssig eingefüllt wird und dann aushärtet. Das ist dann eine Art Harz. Dieses hat jedoch keine so hohe Energiedichte, ist aber einfacher zu produzieren, da es aktuellen Produktionsprozessen ähnelt“ sagt Elliger.

Dazu ergänzt Mussehl: „Die Festkörperbatterie wäre auf jeden Fall für die ganze Infrastruktur, die sich jetzt aufbaut, das Disruptivste, was ich mir vorstellen könnte. Denn dann müsste man ganz andere Anlagen benutzen.“

Natrium-Ionen-Batterie als interessante Alternative

Laut Elliger ist auch die Natrium-Ionen-Batterie eine Alternative. Diese werde vor allem favorisiert, weil die Grundmaterialien viel billiger seien. „Denn Natrium kostet einen Bruchteil von Lithium, nicht unbedingt in der weiterverarbeiteten Form, aber zumindest in der Grundform der Rohstoffe. Würden die Prozesse umgestellt, folgt auch keine große Veränderung der Produktionsprozesse, weil diese sehr ähnlich sind und nur andere Materialien verwendet werden.“

So werde zur Natrium-Ionen-Technologie aktuell viel geforscht. „Das ist vor allem interessant, weil dabei Lithium ersetzt wird“, beschreibt Mussehl. Denn es sei nicht so, dass man in einer regulären Batterie Lithium einfach durch Natrium ersetze. „Das Prinzip des Ionentransportes innerhalb der Zelle bleibt der Gleiche, aber es müssen andere Kathoden- und Anodenmaterialien verwendet werden. Teils ähneln sich diese Materialien, teils sind es aber auch völlig andere. Man kann beispielsweise kein Graphit mehr für die Anode benutzen“, stellt der Forscher dar.

Produktion der Natrium-Ionen-Batterie in China bereits auf großen Linien

In China werde dies bereits auf relativ großen Linien produziert, beispielsweise von CATL. „Bei uns hingegen findet das Ganze noch eher auf Pilotlinienmaßstab statt. Perspektivisch lassen sich wahrscheinlich viele der Anlagen nutzen, die derzeit für Lithium-Ionen-Batterien genutzt werden, sollte das zukünftig notwendig werden. Das beruhigt die Hersteller in Europa, weil deren Investitionen in Anlagen selbst dann, wenn Natrium-Ionen den gesamten Markt übernehmen würden, nicht einfach wertlos werden würden“, so Mussehl.

Er glaubt aber auch nicht, dass Natrium-Ionen-Batterien den gesamten Markt übernehmen. Letztlich seien Natrium-Ionen-Batterien aus vielerlei Hinsicht interessant, nicht zuletzt wegen des niedrigen Preises und der Verfügbarkeit der Rohstoffe. Die Natrium-Ionen-Batterie weist jedoch auch Nachteile auf, so ist die Energiedichte geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien, was sich perspektivisch wohl auch nicht ändern wird. Tendenziell werden Natrium-Ionen-Batterien im automobilen Bereich dementsprechend eher bei kleineren Fahrzeugen und nicht in der Mittel- und Oberklasse zum Einsatz kommen.

Vorteil der Natrium-Ionen-Batterien: Auf null Volt entladbar

Elliger sieht einen weiteren Vorteil bei den Natrium-Ionen-Batterien, denn es ist möglich, sie auf null Volt zu entladen. „Bei der Lithium-Ionen-Batterie gibt es diesen Zustand nicht, eine Batterie komplett zu entladen, ohne sie dabei zu zerstören. Dort heißt null Prozent State of Charge nicht, dass die Batterie keine Energie mehr hat, sondern dass die Batterie am unteren Ende ihres Betriebsfensters liegt, was meistens circa bei 2,6 Volt der Fall ist. Niedriger kann man nicht gehen, weil sonst in der Kupferfolie der Batterie chemische Prozesse stattfinden, die irreversibel sind. Im Endeffekt wird die Batterie dann zerstört“, warnt Elliger.

Gefahrloser Transport von Natrium-Ionen-Batterien

Das gebe es bei der Natrium-Ionen-Batterie nicht. „Demnach können wir die Natrium-Ionen-Batterie auf null Volt entladen und dann gefahrlos transportieren. Dieser Sachverhalt ist für den Einsatz im Fahrzeug nicht relevant. Doch für den Transport und die Lagerung hingegen ist es immens wichtig, weil wir sicher sein können, dass nichts brennen kann, wenn keine Energie mehr enthalten ist“, skizziert Elliger auf.

Mussehl ergänzt dazu: „Das macht die Natrium-Ionen-Batterie auch günstiger – sowohl durch die günstige Lagerung als auch den günstigeren Transport, denn Lithium-Ionen-Batterien gelten als Gefahrgut. Dementsprechend ist die Logistik dort aufwändiger.“

Geringe Energiedichte der Natrium-Ionen-Batterie als Hindernis

Einige Vorteile sprechen somit für die Natrium-Ionen-Batterie. Doch wird sie sich durchsetzen? „Die Natrium-Ionen-Batterie wird sich zumindest flächendeckend nicht durchsetzen. Das liegt an der Energiedichte. Sie liegt lediglich bei etwa 60 Prozent einer Nickel-Mangan-Kobalt-Batterie“, argumentiert Elliger. So liege die gravimetrische beziehungsweise die Gewichts-Energiedichte - wie viel Energie pro Kilogramm vorliegt - bei ungefähr 80 Prozent einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie.

„Je nach Kathodenzellchemie der Natrium-Ionen-Batterie ist auch die volumetrische Energiedichte ein Problem. Bei Preußisch-Blau-Analogen liegt diese beispielsweise nur bei 30 bis 40 Prozent im Vergleich zur NMC-Batterie“, rechnet Elliger vor. Das heißt, die Batterie müsste sehr viel Raum im Fahrzeug einnehmen, um die gleiche Energie zu transportieren.

„Das ist eine Riesenherausforderung. Wahrscheinlich die größte, warum sie sich flächendeckend nicht durchsetzen kann. Demnach ist eine Reichweite von 500 Kilometern mit einer Natrium-Ionen-Batterie Stand jetzt nicht umsetzbar“, stellt Elliger dar. Aber auch da könne sich noch irgendwas tun, wobei solche Entwicklungssprünge schwer zu prognostizieren seien. Außerdem sind auch bei der konkurrierenden Lithium-Ionen-Technologie noch Fortschritte erwartbar.

Geringe Reichweite begrenzt Einsatz auf Kurzstrecken

„Zumindest mit den aktuellen Techniken gehen wir davon aus, dass die Natrium-Ionen-Batterie maximal fünf bis zehn Prozent des Marktes für Fahrzeuge im innerstädtischen Bereich einnehmen kann“, sagt Elliger. Wenn die Fahrzeuge nur 50 Kilometer Reichweite benötigen, dann seien sie bestens geeignet, auch weil sie äußerst schnell aufzuladen sind. In diesem Zusammenhang spreche man von den sogenannten C-Raten.

„Eine C-Rate von 1C bedeutet, eine Batterie in einer Stunde aufladen zu können. Eine C-Rate von 2C bedeutet eine Ladezeit von einer halben Stunde. Also es wird immer im Verhältnis zu einer Stunde gesetzt. Eine C-Rate von zum Beispiel 10C würde bedeuten, in einem Zehntel von einer Stunde - also in ungefähr sechs Minuten - vollständig aufgeladen zu sein“, erläutert der Forscher. Das heißt, bei den besten Li-Ionen-Batterien geht man davon aus, dass die Grenze ungefähr bei 3 bis 4C liegt, was 20 Minuten Ladezeit entspreche.

Sehr schnelle Aufladung der Natrium-Ionen-Batterien möglich

„Bei den Natrium-Ionen-Batterien sind, wieder je nach Zellchemie, bis zu 10C möglich. Man hätte zwar nur eine geringe Reichweite, aber die Batterie wäre in sechs Minuten wieder aufgeladen“, beschreibt Elliger. Das wäre für eine lange Strecke nicht praktikabel, aber „wenn ich innerstädtisch öfters anhalte, weil ich stets kurze Strecken fahre und dann zwischendurch sechs Minuten lade, wäre es vertretbar. Somit gibt es Anwendungsfälle, in denen die Natrium-Ionen-Batterie Vorteile hat, es gibt aber auch Fälle, wo sie wahrscheinlich keine Rolle spielen wird“, denkt Elliger laut nach.

Natrium-Ionen-Batterie wird Nischen füllen

Mussehl verweist darauf, dass Batterien ja nicht nur für Autos, sondern auch für Motorräder, Roller und stationäre Speicher für den gesamten Strommarkt gemacht sind. „In diesen Einsatzbereichen sieht die Batteriewelt die Natrium-Ionen-Batterie auf jeden Fall zum Einsatz bereit. Allerdings beschäftigen sich die Abnehmer im Bereich Energy Storage Systems und auch dem Zweiradmarkt derzeit noch weniger mit der Natrium-Ionen-Technologie“, meint Mussehl.

Da gebe es eine Diskrepanz. „Wir sind uns hingegen sicher, dass die Natrium-Ionen-Batterie einen guten Platz finden wird. Reden wir auch von Hochleistungsanwendungen - gerade, wenn wir bei C-Raten sind - sind Lithium-Ionen-Batterien, so wie wir sie aus dem Automobilsektor kennen, ungeeignet“, unterstreicht Mussehl. Denn mit diesen hohen C-Raten brauche man deutlich mehr Energie, sodass man eine automobile Batterie sofort zerstören würde. „Demnach wird die Natrium-Ionen-Batterie Nischen füllen, aber unserer Meinung nach die Lithium-Ionen-Batterie nicht ersetzen“, so Mussehl.

Markt für Lithium entspannt sich

Betrachtet man den Markt für die ganzen Materialien, dann kann man laut Mussehl froh sein, wenn es eine andere Technologie gibt, die den Druck auf Lithium etwas reduziert. „Denn bei Lithium wächst dieser Markt in diesem Jahrzehnt noch um das Fünffache. Und zwar am Ende auf über 80 Prozent für den Batteriesektor. Das ist eine Abhängigkeit, die Volatilität erzeugen kann. Somit kann man froh sein, dass es andere Batterietechnologien gibt. Deswegen sollte man davor keine Angst haben, sondern eher unterstützen, dass es Ausweichtechnologien gibt“, findet Mussehl.

„Als Batterien der Zukunft sehen wir die Solid State und Natrium-Ionen. Sie werden zwar in den kommenden Jahren größere Marktanteile noch nicht einnehmen, wohl aber in Jahrzehnten“, blickt Mussehl voraus. An der Marktmacht der Lithium-Ionen-Batterie werde in den nächsten zehn Jahren wenig zu rütteln sein.

Wo gehen die Trends bei Materialien für Batterien hin?

„Aktuelle Trends gehen zum einen bei den NMC-Batterien zu immer höheren Nickelanteilen. Das liegt daran, dass man immer weiter die Energiedichte erhöhen möchte. Da gibt es die Zahlen hinter den NMC-Zellchemien, die heißen 1-1-1, 5-3-2 oder 6-2-2. Inzwischen reden wir von 8-1-1, was das stöchiometrische Verhältnis zwischen Nickel, Mangan und Kobalt im Vergleich zu Lithium bedeutet“, erläutert Mussehl. Das bedeute, die Acht stehe für Nickel im Vergleich zu Mangan und Kobalt. Das entspreche 80 Prozent Nickel, zehn Prozent Mangan und zehn Prozent Kobalt. Mittlerweile gebe es sogar schon NMC-9-5-5, was für 90 Prozent Nickel, fünf Prozent Kobalt und fünf Prozent Mangan stehe. Da wachse der Nickelanteil also derzeit immer weiter.

„Bei den LFP-Batterien, wo derzeit noch Eisenphosphat verwendet werde, wird versucht, Eisen teilweise durch andere Rohstoffe wie Mangan oder Nickel zu ersetzen, um eine höhere Energiedichte zu erreichen. So viel zu den Batterierohstoffen der Zukunft“, schließt Mussehl.