Battery-News.de im Gespräch mit Prof. Kai Peter Birke: „Batterien werden da gebaut wo Zellen sind, und die Zelle muss zur Batterie kommen und nicht umgekehrt.“

Autor: Benedikt Hürter

Veröffentlicht am: 15.05.2020

„Ich sehe ein Nebeneinander dreier Technologien, Batterie, Brennstoffzelle, synthetische Kraftstoffe.“: Benedikt Hürter interviewte Prof. Dr. Kai Peter Birke über die Zukunft der Batterie, die Fertigung in Deutschland, Digitalisierungsmöglichkeiten sowie die Bedeutung von Forschung und frischen Ideen von Start-Ups. Abgerundet wird das Interview durch eine Betrachtung alternativer Technologien und die Ermutigung, Verantwortung zu übernehmen für die Zukunftsgestaltung.

Prof. Dr. Birke lehrt und forscht am Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart. Der Physiker promovierte in Kiel zum Thema Festkörperbatterie mit funktionalen keramischen Schichten und wechselte nach einer Station am Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie in die Industrie zu Varta und Continental. An der Universität Stuttgart liegen seine Schwerpunkte einerseits im Bereich der Materialien und der chemischen Prozesse. Darüber hinaus untersucht er Möglichkeiten zur Erhöhung der Energiedichte auf Batteriesystemebene. Ein weiteres Themenfeld stellen die Bereiche mit den Stichworten „Power to gas“ und „Power to liquid“ dar.

Benedikt Hürter: Guten Tag Herr Prof. Birke. Energiespeicher sind in vielen Bereichen des täglichen Lebens unverzichtbar geworden. Zahlreiche Forschungsgruppen untersuchen seit Jahren die Potenziale und Perspektiven von Batterien und Batteriezellen. Wie schätzen Sie die Entwicklung der vergangenen Jahre und das Leistungsvermögen von künftigen Energiespeichern in den kommenden Jahren ein?

Prof. Birke: Es wird keine Wunderbatterie geben. Die Entwicklung der Energiedichte von Batterien ist eine Frage der Spannung pro Einzelzelle und der spezifischen Kapazität. Multipliziert man beide, ergibt sich die theoretische Energiedichte, also die maximale Obergrenze auf dem Papier. Die höchste erreichbare Spannung pro Zelle liegt nach dem Periodensystem bei 6 V, bei der spezifischen Kapazität der Elektrodenmaterialien gibt es immer Trade-offs zwischen dem Beitrag zur Energiedichte und der Leistung, der Lebensdauer, der Sicherheit, den Kosten, und auch zunehmend der Rohstoffverfügbarkeit und der Nachhaltigkeit. Das wird die Entwicklung zukünftiger Batterien immer begleiten und beschränken. Man darf auch nicht vergessen, wofür der Nobelpreis für Chemie 2019 verliehen wurde, für Li-Ionen Zellen, genauer Speichermaterialien, die Ionen auf Zwischengitterplätzen speichern und auf diese Weise sehr viele Lade- und Entladezyklen ermöglichen. Das nennt man Interkalation. Man scheint manchmal zu vergessen, dass ein Verlassen dieses Prinzips zwar die Energiedichte steigern kann, aber wahrscheinlich erhebliche Performancenachteile nach sich ziehen wird. Gleichzeitig wird daher der Blick auf die Brennstoffzelle und synthetische Kraftstoffe, die CO2-neutral hergestellt werden, immer wichtiger.

Benedikt Hürter: Welche Entwicklungen im Themengebiet der Batteriefertigung sind Ihrer Meinung nach momentan technologisch besonders vielversprechend?

Prof. Birke: Dies sind zunächst ganz besonders alle Aspekte der Digitalisierung, dann alternative Binder und Lösemittel, quasi-kontinuierliche Pastenmischer, die im Minutentakt beim Anmischen arbeiten, das Dosieren und Verteilen von Elektrolyten sowie künstliche Intelligenz bei der Formierung (dem ersten Laden einer Batteriezelle) und der zuverlässigen Erkennung und Bewertung von Zellschäden nach dem mehrwöchigen Lagerungsprozess in der Produktion.

Benedikt Hürter: Unter anderem durch die Elektrifizierung des Antriebsstranges in der Automobilindustrie werden in den kommenden Jahren steigende Produktionsmengen von Lithium-Ionen-Speichern erwartet. Welche Folgen wird dies für den Fertigungsstandort Deutschland haben?

Prof. Birke: Batterien werden da gebaut wo Zellen sind, und die Zelle muss zur Batterie kommen und nicht umgekehrt. Also muss es große Zellfertigungen für Li-Ionen Zellen in Europa geben, solange man dort auch Elektroautos fertigt. Szenario A deckt dies mit überwiegend asiatischen Zellherstellern ab, aber zumindest die Batteriefertigung und das Elektroauto könnten damit mit dem Preis ungünstiger Abhängigkeiten am Standort Deutschland bleiben. Szenario B, für das es gerade jetzt nochmals eine große Chance gibt, sieht bis 2030 bemerkenswerte Marktanteile auch für europäische und deutsche Zellhersteller vor. Den Fertigungsstandort Deutschland kann man insofern immer noch mitbestimmen, aber die Zeit läuft ab.

Benedikt Hürter: Wie kann Deutschland mit den asiatischen Herstellern konkurrieren bzw. welche Prozessschritte sehen Sie als die wichtigsten Stellhebel in der Batteriezellfertigung, um eine wettbewerbsfähige und nachhaltige Produktion in Europa zu etablieren?

Prof. Birke: Ich sehe hier insbesondere die Digitalisierung als „Enabler“ für eine beachtliche wettbewerbsentscheidende Minimierung der Produktionsschwankungen. Damit sind nochmals erhebliche Kostensenkungen und eine Steigerung der Qualität von Batterien möglich. Die Nachverfolgbarkeit in der Produktion ist dabei ein entscheidendes Instrument, ich spreche von der „gläsernen Batteriezelle“. Ein gewichtiger weiterer Baustein ist der Bezug der Rohstoffe. Ca. 70% der Kosten einer Li-Ionen Batteriezelle sind Materialkosten. Es müssen also gleichzeitig nachhaltige Lieferketten etabliert und langfristig sichergestellt werden, sowie attraktive Preise für Zellen über geschickten Rohstoffeinkauf bzw. Einkauf der Zellmaterialien gesichert werden.

Benedikt Hürter: Sie haben das Thema Energiespeicher sowohl aus der industriellen als auch der universitären Perspektive gestalten können. Welche Rolle spielt die starke Forschungslandschaft in Deutschland in Bezug auf die Weiter- und Neuentwicklung von Prozesstechnologien in der Batterieproduktion?

Prof. Birke: Zweifelsohne besteht in Deutschland eine exzellente Grundlagenforschung für innovative Batteriezelltechnologien sowie bei den Zellmaterialien, aber bei Prozesstechnologien für Batteriezellen bzw. einer Produktionsforschung für Batteriezellen wird die Luft dünner. Ich betone das Wort „Zelle“. Da gibt es immer noch viel Konfusion zwischen Batteriezelle und Batterie. Batterien für Elektrofahrzeuge können von führenden OEMs in Deutschland bereits heute in hoher Qualität hergestellt werden. Es gibt einen großartigen Maschinenbau, aber die Kommunikation von und mit Zellexperten in diesen Maschinenbau ist noch stark ausbaufähig. Wir benötigen noch viel mehr angewandte und produktionsnahe Batteriezellforschung und -entwicklung. Da ist noch die Lücke. Aber, die Lücke zwischen Forschung und Massenproduktion bei den Lithium-Ionen-Zellen wird deutlich geschlossen. Denn, Mitte 2022 soll die »Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle« (FFB) in Münster ihren Betrieb starten. Ziel der Forschungsfabrik ist es unter anderem, das Investitionsrisiko für die Zellproduktion zu senken. Das ist ein großer neuer Leuchtturm am Horizont!

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. Birke: Start-ups stellen diese Bereicherung zweifelsohne dar, aber nur Konzerne sind in der Lage, Innovationen umzusetzen. Ich habe hier bewusst das Verb „schaffen“ ersetzt. Denn, es sind ganz andere Zahlen bei den Investitionen in eine Batteriezellfertigung zu stemmen, als das ein Start-up für Batteriezellen dies jemals leisten könnte. Innovationen schaffen und Innovationen umsetzen sind also hier zwei völlig verschiedene Paar Schuhe. Startet man aber als CEO eines „Start-ups“, und hat das nötige Geld in Personalunion, wie bei Tesla, keine Stiftung, kein Aktienkurs, und handelt selbstverantwortlich, so war das zumindest in den letzten Jahren eine mögliche erfolgreiche Mischung. Leider denken Konzerne hierzulande oft eher in „Dreijahresplänen“, Geld muss verdient werden. Dieses Denken kollidiert komplett mit einer sehr langfristig angelegten Investition in eine Batteriezellfertigung. Genau das haben aber z.B. bekannte große asiatische, genauer koreanische Zellhersteller gemacht, sehr langfristig trotz Rückschlägen gedacht und investiert. Nun haben sie den Erfolg.

Benedikt Hürter: Lithium-Luft, Lithium-Schwefel, Feststoffbatterie, nahezu täglich werden Berichte zu neuen Batterietechnologien veröffentlich. Wann werden die Technologiealternativen im Markt breite Verwendung finden? Welche Hürden sind auf dem Weg zu bewältigen?

Prof. Birke: Ich wiederhole mich, es kann erstens aufgrund des Periodensystems gar keine Wunderbatterie geben. Zweitens Interkalation, also das zentrale Prinzip einer Li-Ionen Zelle wieder abzuschaffen, was man bei allen genannten Beispielen tun müsste, um attraktive Energiedichten zu sichern, beantwortet überhaupt nicht, wie man alle damit verbundenen Performancenachteile kompensiert. Ich sehe Li-Schwefel langfristig als Kandidat bei höchsten Anforderungen an die gravimetrische Energiedichte und aufgrund des extrem attraktiven Preises für Schwefel bei großen stationären Batterien. Im Grunde ist Schwefel ein Abfallprodukt der Industrie. Li-Luft sehe ich überhaupt nicht. Die Festkörperbatterie könnte ab 2025 mit ernstzunehmenden Lösungen aufwarten. Ein vollständiger Ersatz der Li-Ionen Technologie ist dabei schwer vorstellbar. Es wird vielmehr über lange Zeiträume Ko-existenzen geben. Dass die Li-Ionen Technologie in den nächsten Jahrzehnten verschwindet, ist extrem unwahrscheinlich.

Benedikt Hürter: Die Lithium-Ionen-Batterie hat aufgrund der eingesetzten Rohstoffe in der Gesellschaft kein durchgehend positives Image. Wie kann die Akzeptanz in der Gesellschaft gesteigert und das Image der Batterie verbessert werden?

Prof. Birke: Bisher wurden Batteriezellen überwiegend nach fünf Eigenschaften bewertet, Energiedichte, Leistungsdichte, Lebensdauer, Sicherheit und Kosten. Das muss revidiert werden. Benötigte Rohstoffe und deren Abbau müssen in dieses Bewertungsschema gleichwertig eingehen. Rost behandelt man auch nicht dadurch nachhaltig, indem man nur Farbe drüberschmiert. Zukünftige Battierezellforschung hat gleichermaßen die Pflicht, nicht nur die Performance der Zelle zu steigern, sondern auch rohstofforientiert nachhaltig zu forschen. Welche Technologien von morgen könnten an dieser Stelle Alternativen bieten? Interessanterweise haben Sie bei der vorigen Frage gar nicht Zink-Ionen Batterien erwähnt, die genau dieses Rohstoffthema, neben Schwefel-basierten Zellen gut adressieren.

Benedikt Hürter: Wie schätzen Sie die Bedeutung der Batteriezelle für die zukünftigen Bedürfnisse der Gesellschaft ein? Wird es ein Nebeneinander von Technologien geben oder wird sich eine dominante Technologie durchsetzen?

Prof. Birke: Ich sehe ein Nebeneinander dreier Technologien, Batterie, Brennstoffzelle, synthetische Kraftstoffe. Die Brennstoffzelle spielt ihre Attraktivität immer bei großen Transportmitteln aufgrund der unschlagbaren gravimetrischen Energiedichte des Wasserstoffs aus und ist bei vielen stationären Anwendungen ein interessanter Wettbewerb zu Batterie. Warum synthetische Kraftstoffe: Wie fliegt man mit ca. 900 km/h eine Langstrecke? Womit soll man Containerschiffe alternativ antreiben? Sowohl Batterie als auch Brennstoffzelle stoßen dabei in meiner Vorstellungskraft an Grenzen.

Benedikt Hürter: Was möchten Sie unseren Lesern noch als Denkanstoß mitgeben?

Prof. Birke: Verantwortung übernehmen: Wer nur darstellt, was nicht geht, hat noch nicht gesagt, was er an neuen Ansätzen befürwortet, unterstützt, mitträgt und welche Verantwortung er bereit ist zu übernehmen. Das Glas Wasser ist immer halb voll oder halb leer. Ausgewogenheit wagen: Eine Volkswirtschaft muss zwar mit Produkten Geld verdienen aber es gilt, das richtige Maß zwischen erwirtschaftetem Gewinn, notwendigen Innovationen und benötigter Nachhaltigkeit zu finden. Dabei können Batterien, Brennstoffzellen und synthetische, CO2-neutral hergestellte Kraftstoffe einen entscheidenden Beitrag liefern.

Benedikt Hürter: Prof. Birke, vielen Dank für die spannenden Antworten.