Battery-News.de Technologiebriefing: Lithium-Schwefel-Batterie I/III – Motivation für eine neue Generation von Batterien

Autor: Benedikt Hürter

Veröffentlicht am: 26.05.2020

Motivation

Der Verzicht auf fossile Kraftstoffe erfordert das Erforschen neuartiger Technologien, um eine wirtschaftlich und komfortmäßig konkurrenzfähige Alternative bereitstellen zu können. Automobilhersteller entwickeln und präsentieren neue, umweltschonende Wege der Automobilität. Die großen Flugzeughersteller sowie deren Zulieferer führen ähnliche Überlegungen für Mobilität in drei Dimensionen durch. Gleichzeitig entwickeln sich viele Start-Ups zu ernstzunehmenden Wettbewerbern und bringen frische Ideen und Geschäftsmodelle für die Mobilität von morgen.

Mobile Bereitstellung von elektrischer Energie ist der unverzichtbare Kernpunkt der neugedachten Mobilität und nicht-stationärer Innovationen. Bewährt hat sich hier das Prinzip der elektrochemischen Energiespeicherung. Die hervorragenden Eigenschaften von Zellen auf Lithium-Ionen-Basis sind Mittelpunkt und seit Jahren Befähiger vieler Innovationen im Mobilitätssektor sowie darüber hinaus.

Auf dem Weg zur Post-Lithium-Ionen-Technologie

Seit der ersten Idee dieser Batterietechnologie in den 1970er Jahren und der Markteinführung in den 1990er Jahren sind zahlreiche Optimierungen produktions- und produkttechnisch vorgenommen worden bis die heutige Qualität und Eigenschaften erreicht werden konnten. Gleichzeitig werden neue Technologien erforscht, die noch bessere Charakteristiken versprechen und die disruptive Revolution von weiteren Einsatzbereichen ermöglichen. Vielversprechend in diesem Kontext erscheinen die Konzepte von Lithium-Metall wie die Lithium-Luft- oder Lithium-Schwefel-Batterie. Die theoretisch möglichen Eigenschaften für die Energiespeicherung übersteigen die der Lithium-Ionen-Batterie um ein Vielfaches und versprechen gleichzeitig höhere Sicherheit bei geringeren Rohstoffkosten.

Alle großen Zellhersteller und viele weitere Unternehmen beforschen das Thema im Rahmen einer Post-Lithium-Ionen-Strategie intensiv. Auf dem Weg zur Kommerzialisierung sind noch einige grundlegende Herausforderungen zu bewältigen. Im Folgenden soll die Zukunftstechnologie umfassend erörtert werden und stets in den direkten Vergleich zur etablierten Lithium-Ionen-Technologie treten. Der Erfolg der Kommerzialisierung wird stets von den Fortschritten der Lithium-Ionen-Technologie abhängen und sich hiergegen behaupten müssen.

Warum eine neue Generation von Batteriesystemen entwickeln?

Noch erscheinen Elektrofahrzeuge oder Elektroflugzeuge vielen Nutzern ungewohnt und nicht vertraut. Die Automobilhersteller bauen momentan Produktionskapazitäten speziell für Lithium-Ionen-Batterien auf.

In Europa und Deutschland werden große Investitionen in die Lithium-Ionen-Technologie getätigt, wie z.B. die entstehende Forschungsfertigung Batterie. Ein Konsortium bestehend aus namhaften Partnern wird hier die vielfältigen Herausforderungen im Bereich der Batterieproduktion zur Stärkung des deutschen Standortes erforschen. Für das Jahr 2018 errechnete die Unternehmensberatung McKinsey eine Produktion von 30 GWh. Über 97% der produzierten Güter entstammte dabei aus den drei Ländern China, Japan und Südkorea. Hier sind die größten Hersteller, wie z.B. Panasonic, LG Chem oder CATL, zu finden.[1] Nach Recherchen von Battery-News.de sind bis zum Jahr 2028 in Europa rund 400 GWh an Fertigungskapazität durch europäische und internationale Unternehmen geplant.

Die Entwicklung zeigt zwei starke Trends: Erstens ist der Bedarf für mobile Energiespeicher groß und nicht gedeckt. Zweitens versucht Europa den Abstand und die Abhängigkeiten zu den bisherigen asiatischen Marktführern zu verkürzen.[2] Warum wird bereits nach einer Nachfolgetechnologie intensiv geforscht, wenn der bisherige Spielraum noch längst nicht ausgeschöpft ist und Investitionen äußerst lukrativ erscheinen?

Globale Trends erfordern neue und verbesserte Energiespeicher

Die moderne Gesellschaft verlangt nach einer möglichst emissionsfreien Mobilität. Gleichzeitig erfordern Bereiche wie Mobiltechnologie, Robotik oder auch Luft- und Raumfahrt immer größere Speichermöglichkeiten. Die Unternehmensberatung Ernst & Young hat die Megatrends für die kommenden Jahren herausgearbeitet und zusammengefasst. Themen wie Drohnen, Exoskelette oder Wearables sind nur einige Beispiele die zukünftig im Alltag zu finden sein werden. Alle sind auf mobile Energiespeicher angewiesen, um neue Bewegungsfreiheit und Anwendbarkeit zu bieten.[3] Disruptive, technische Innovationen verlangen nach immer besseren Energiespeichern. Gleichzeitig ist bekannt, dass das Potenzial für Verbesserungen von Lithium-Ionen-Batterien erschöpflich ist und man sich den praktischen bzw. theoretischen Grenzen immer weiter annähert. Bereiche wie die Luftfahrt benötigen darüber hinaus leichte Speicher mit hoher Energiedichte, um das Gewicht zu begrenzen und die Gewichtsverteilung optimieren zu können. Volumen ist hier weniger ein Problem. Anders verhält es sich bei Elektrofahrzeugen: Hier spielt das Volumen eine größere Rolle als das direkte Gewicht. Die volumetrischen und gravimetrischen Energiedichten stellen wichtige Kriterien in Abhängigkeit vom Einsatzgebiet dar. Weitere wichtige Kriterien für die gesamtheitliche Bewertung sind z.B. Preis, Recyclebarkeit und die Sicherheit dar. Die perfekte Batterie, die Höchstwerte in allen Disziplinen erreicht, ist bislang nicht entwickelt. Vielmehr findet jeweils eine anwendungsspezifische Optimierung während des Batteriedesigns statt.

Ein Vergleich der Technologien

Abbildung 1 zeigt einen Vergleich unterschiedlicher elektrochemischer Speichertechnologien. Als Vergleichsgrößen werden die grundlegenden Eigenschaften der gravimetrischen Energiedichten den volumetrischen Energiedichten gegenübergestellt. Als unmittelbare Konsequenz lässt sich aus der gravimetrischen Energiedichte ableiten, ob ein Batteriesystem im direkten Vergleich eher leichter oder schwerer zu erwarten ist. Analog lässt sich aus der volumetrischen Energiedichte ableiten, ob ein Batteriesystem eher kleiner oder größer zu erwarten ist. Die Pfeile weisen auf aktuelle Verbesserungen und das mögliche Verbesserungspotenzial hin.

Die bereits seit 1859 bekannte Blei-Säure-Batterie sowie Batterien basierend auf Nickel und Cadmium zeigen in diesem Vergleich die geringsten Energiedichten. Für die Lithium-basierten Energiespeicher lassen sich zwei Trends ableiten. Lithium-Polymer, Lithium-Phosphat sowie die Lithium-Ionen-Technologie weisen Vorteile bezüglich der volumetrischen Energiedichte auf. Lithium-Schwefel zeigt in diesem Vergleich seine Stärken bei der erzielbaren gravimetrischen Energiedichte. Die Lithium-Schwefel-Batterie scheint für die Einsatzgebiete prädestiniert, für die Gewicht wichtiger als Volumen ist. Die Lithium-Ionen-Batterie wird eine Grenze erreichen, an der sie praktisch nicht mehr verbessert werden kann. Weitere Verbesserungen sind dann nur durch Generationssprünge wie der All-Solid-State Batterie möglich. Die Verbesserungsmöglichkeit sagt in diesem Zusammenhang nichts über den weiteren Verbleib im Markt aus. So geht die nationale Plattform Elektromobilität von einem Verbleib der ersten Generation basierend auf LFP über das Jahr 2030 hinaus aus. Eine breite Einführung von Lithium-Schwefel-Batterien wird hier ab frühestens 2025 vorhergesagt.[7]

Quellen:

[1] Vgl. Eddy et al. (2019).

[2] Vgl. Hürter (2020).

[3] Vgl. Ernst & Young (2016).

[4] Vgl. Oxis (2018).

[5] Vgl. Boukhalfa et al. (2020).

[6] Vgl. Friedrich (2012).

[7] Vgl. Batterieforum Deutschland (2020).