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Prof. Tübke: „Maßgeschneiderte Batterie-Zellen wären für einen europäischen Fertigungsstandort ein Wettbewerbsvorteil“
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Autor: Benedikt Hürter
Veröffentlicht am: 11.08.2019
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Quo Vadis Lithium-Ionen-Batterie? Wir sprachen mit Professor Jens Tübke über die Chancen und Herausforderungen der Technologie in den kommenden Jahren. Professor Tübke ist Professor am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie und am KIT in Karlsruhe. Er studierte Chemie an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und promovierte ebendort.
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Benedikt Hürter: Die Lithium-Ionen-Batterie wird aktuell in immer mehr Produkte integriert. Was ist aus Ihrer Sicht die größte Herausforderung für die Lithium-Ionen-Batterie?
Prof. Tübke: Durch die zunehmende Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien in immer mehr Anwendungen steigt der Rohstoffbedarf für die Herstellung der benötigten Zellen. Hinzu kommt ein verstärkter Einsatz zur Speicherung Erneuerbarer Energie und in der Elektromobilität, beides Anwendungen, in denen es darum geht, CO2-neutral und emmissionsarm Energie zur Verfügung zu stellen bzw. Mobilität zu ermöglichen. Dies bedingt, dass wir uns viel stärker mit den Themen Nachhaltigkeit, Rohstoffeffizienz aber auch den Rohstoffkreisläufen und damit auch mit dem Recycling auseinandersetzen müssen. Standen bisher neben der elektrochemischen Performance hauptsächlich die Kosten und die Sicherheit im Vordergrund sehen wir heute diese zusätzlichen Punkte mit ganz oben auf der Forschungs-Agenda.
Benedikt Hürter: Welche Entwicklungen im Themenfeld der Lithium-Ionen-Batterie sehen Sie als besonders vielversprechend an oder liegt Ihnen besonders am Herzen?
Prof. Tübke: Mir liegt besonders am Herzen die aus Nutzersicht ja absolut nachvollziehbaren Forderungen nach höheren Energie- und Leistungsdichten mit neuen leitungsfähigen Materialien und Zellaufbauten zu erfüllen, gleichzeitig aber einen sicheren Betrieb und eine möglichst lange Nutzungsdauer auf Systemebene zu ermöglichen. Dazu ist es nötig, Zellen immer in Verbindung mit der Anwendung und den sich daraus ableitenden Anforderungen zu entwickeln. Im Zusammenspiel mit dem Design der kompletten Batterie lassen sich heute noch deutliche Potentiale bei der Verbesserung der Energiedichte heben. Neue Materialien werden benötigt um dieses Ziel zu erreichen, aber es sind nicht nur ausschließlich die Aktivmaterialien, also die energiespeichernden Werkstoffe, sondern vielmehr auch die sogenannten Passivmaterialien, die Gehäuse, die Wärmeableiter und vieles mehr, die weiter entwickelt und verbessert werden müssen.
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Benedikt Hürter: Kann Deutschland den Abstand zu asiatischen Herstellern in Bezug auf die Produktion verkleinern? Was sind die wichtigsten Stellhebel, die adressiert werden sollten?
Prof. Tübke: Die wichtigsten Stellhebel die wir in Europa und Deutschland haben sind neben den schon erwähnten Punkten des nachhaltigen Umgangs mit den Rohstoffen und der eingesetzten Energie zur Produktion vor allem auch die eingesetzten Fertigungsverfahren. Aktuelle aber auch zukünftige Anwendungen verlangen zunehmend auch nach maßgeschneiderten Batterie-Zellen, dies wäre für einen europäischen Fertigungsstandort ein Wettbewerbsvorteil gegenüber der Fertigung von Standard-Zellen in asiatisch dominierten Gigafactories. Der deutsche Maschinenbau ist in Asien aufgrund der hohen Präzision und Zuverlässigkeit der Fertigungsmaschinen sehr geschätzt, dies gilt es vor allem auch für neue weiter entwickelte Fertigungsmethoden, wie zum Beispiel Trockenbeschichtungen oder der Verarbeitung von Materialien für Festkörperbatterien weiter voranzutreiben.
Benedikt Hürter: Stellen Start-Ups eine Bereicherung der Batterieentwicklung dar oder sind nur Konzerne wirklich in der Lage, Innovation in diesem Bereich zu schaffen?
Prof. Tübke: Natürlich! Gerade Start-up Unternehmen sind hier gefragt und auch durchaus in der Lage einen Beitrag zu leisten. Nur müssen dafür Bedingungen geschaffen und weiter verbessert werden, die es diesen jungen Unternehmen ermöglichen, sich erfolgreich im Markt zu etablieren. Mit der Forschungsfertigung Batteriezellen in Münster wollen wir auch dafür einen geeigneten Rahmen schaffen.
Benedikt Hürter: Viele Automobilunternehmen schließen sich bezüglich der BEV-Entwicklung zusammen. Wie sehen Sie die Möglichkeiten einer Konsolidierung oder auch Standardisierung im Batteriegeschäft?
Prof. Tübke: Für eine Konsolidierung oder Standardisierung ist es sicher noch zu früh aus meiner Sicht. Forschung zu bündeln, zu koordinieren, aufeinander abzustimmen – das ist sicher weiterhin und zukünftig ein sehr wichtiges Thema gerade auch gemeinsam mit der Industrie. Dafür gibt es in der deutschen Forschungslandschaft ja bereits die vielfältigsten Aktivitäten. Zum Thema Standardisierung, speziell in der Frage, wie soll eine zukünftige Batteriezelle aussehen – nein, für eine solche Standardisierung ist es noch viel zu früh. Die Technologie ist ja auch noch recht jung. Auf der anderen Seite nutzen heute OEMs auch gemeinsame Fahrzeugplattformen konzernübergreifend, so etwas wird sich sicher auch einmal im Bereich der Elektrofahrzeuge etablieren.
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Benedikt Hürter: Sehen Sie das Risiko bzw. die Chance, dass die Lithium-Ionen-Technologie in den nächsten 5 Jahren bis 10 Jahren durch eine verbesserte Technologie grundlegend ersetzt werden könnte?
Prof. Tübke: Ich sehe eine Reihe interessanter Technologien, die für bestimmte Anwendungsbereiche durchaus ein gute Chance haben auch einmal eine vielleicht schon etablierte Lithium-Ionen-Technologie zu verdrängen, wie zum Beispiel Redox-Flow-Batterien im stationären Bereich oder Batterien auf Basis alternativer Metalle wie zum Beispiel Natrium. Aber ich sehe keine generelle Nachfolgetechnologie zu den Lithium-Ionen-Batterien, wir werden uns schon Gedanken dazu machen müssen, wie wir mit dem Rohstoff Lithium umgehen und wie wir geschlossene Stoffkreisläufe für solche wichtigen Materialien umsetzen können. Wir sollten nicht nur darauf vertrauen, in Zukunft Lithium vollständig ersetzen zu können. Leider tendieren wir manchmal dazu lieber auf eine vermeintlich bessere zukünftige Technologie zu setzen und darauf zu warten, dass damit alle Probleme gelöst sein werden.
Benedikt Hürter: Die Lithium-Ionen-Batterie hat auf Grund der eingesetzten Rohstoffe in der Gesellschaft kein positives Image. Wie kann die Akzeptanz in der Gesellschaft gesteigert und das Image der Batterie verbessert werden?
Prof. Tübke: Ein wichtiger Punkt ist und bleibt die Aufklärung. Ja, mit dem zunehmenden Bedarf an Lithium und Cobalt ist die Umweltthematik in den Vordergrund gerückt und das ist auch richtig so. Auf der anderen Seite werden diese Werkstoffe bereits seit Jahrzehnten in der Industrie eingesetzt und jeder von uns nutzt diese und das nicht nur in seinem Smartphone. Wir sind auf dem richtigen Weg, eine nachhaltige Nutzung zu ermöglichen, kritische Rohstoffe entweder zu ersetzen oder durch Stoffkreisläufe dafür zu sorgen, dass diese nachhaltig eingesetzt werden. Dafür hat unter anderem auch eine kritische Auseinandersetzung mit diesem Thema in der Öffentlichkeit gesorgt.
Benedikt Hürter: Wann werden wir in der Lage sein eine Lithium-Ionen-Batterie vollständig zu recyceln?
Prof. Tübke: Dies gelingt durchaus heute schon in guten Ansätzen, ich denke sobald ausreichend hohe Mengen an Batterien und Zellen aus dem Markt zum Recycling anfallen, werden die dazu entwickelten Verfahren auch eingesetzt. Wichtig ist nur, dass wir hohe Rückgabequoten erzielen und nicht wie bei primären (einmal entladbaren Batterien) nur um die 50%, hier wird zukünftig auch die meiner Meinung nach größte Hürde zu überwinden sein.
Benedikt Hürter: Was möchten Sie unseren Lesern noch als Denkanstoß mitgeben?
Prof. Tübke: Immer wieder tendieren wir dazu lieber auf eine vermeintlich bessere zukünftige Technologie zu setzen und darauf zu warten, dass damit alle Probleme gelöst sein werden. Nicht die Batterie mit der doppelten Energiedichte wird Elektromobilität ermöglichen, sondern eine nachhaltig produzierte deren Materialien zu einem Großteil wiederverwendet werden können sowie die kostengünstige und schnellladefähige Batterie mit einer an den Kundenbedarf und an ein vernünftiges Mobilitätskonzept angepassten Reichweite wird das Rennen machen.
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