Wie sieht die Zukunft der Batterietechnik aus? Wo stehen wir heute und wo entwickeln wir uns hin?
Eine Analyse von Battery-News.de.

Autor: Maximilian Geilen

Veröffentlicht am: 05.03.2021

Weltweit werden in immer größeren Maßstab die Kapazitäten der Batteriezellproduktion erhöht, die trotzdem nur mit Mühe der weltweit boomenden Nachfrage an Batteriezellen für mobile Anwendungen hinter kommen. Battery-News.de versucht einzuordnen, wo wir heute in der Batterieproduktion stehen und was die künftigen Ziele der batterieelektrischen Welt sind.

Hohe Leistung und geringe Kosten

Blickt man auf die Anforderungen des Marktes so gibt es eine Mischung von Merkmalen eines Systems, die immer besonders reizvoll ist, nämlich die, wenn es geschafft wird hohe Leistung bei überschaubaren Kosten anzubieten. Das gilt auch für die Batterietechnik. Die Hauptkritikpunkte an aktuellen Batteriezellen sind jedoch, dass diese zu viel Kosten und zu wenig Performance für das batterieelektrische Fahrzeug bieten. Es ist heute immer noch für die meisten Endnutzer günstiger auf Verbrennungsmotoren zu setzen als sich ein batterieelektrisches Fahrzeug zu zulegen. Aber woran liegt es, dass die Batterie noch nicht an den Verbrenner heranreicht und welche Faktoren führen dazu, dass zahlreiche Nutzer Elektrofahrzeuge oftmals kategorisch ausschließen?

In der Theorie ist das rein elektrische Fahren vom Wirkungsgrad der Umsetzung von Energie in Bewegung deutlich effizienter als die Verbrennung von fossilen Energieträgern zum Zwecke der Fortbewegung. Herausfordernd ist jedoch, dass der Verbrennungsmotor eine über 100 Jahre perfektionierte Maschine ist, während das elektrische Fahren erst seit ca. einem Jahrzehnt immer mehr entwickelt wurde. Dieser Faktor wirkt auf Technologie, Infrastruktur und darüber hinaus auch auf die Überzeugung des Endnutzers.

Wo steht die Batterie heute?

Unter gewissen Voraussetzungen sind Elektroautos heute schon eine gute Wahl für den von der neuen Mobilität begeisterten Fahrer. Jedoch sind eben diese gewissen Vorrausetzungen ein Problem das viele andere Fahrer noch vom Kauf eines Elektrofahrzeugs abhalten. Im Fokus stehen dabei vor allem die Punkte Kosten und Alltagstauglichkeit.
Blickt man in Richtung der Anschaffungskosten eines batterieelektrischen Fahrzeugs, so sind diese heute immer noch hoch. Das liegt fundamental an den Herstellungskosten der Traktionsbatterie im Fahrzeug. Für die Herstellung von Batterien werden teure Grundrohstoffe (Kobalt, Nickel, Lithium), die in einem aufwendigen Herstellungsprozess erst zu Zellen und dann zu Batteriesystemen verarbeitet werden, genutzt. Sieht man zudem in Richtung der Alltagstauglichkeit, so steht die Leistung der Batteriezellen, vor allem in Bezug auf Reichweite und Ladegeschwindigkeiten im Fokus. Heutige Elektrofahrzeug erreichen nur in etwa die Hälfte der Reichweite von Dieselfahrzeugen und laden selbst in Schnelllademodi meist 5-10 Fach langsamer als bei einem Benzin/Dieseltankvorgang. Sollte daher gerade bei letzterem keine Möglichkeit zum Laden am eigenen Hause oder auf der Arbeit vorhanden sein, dann besteht, ebenso wie beim Preis, auch hier oftmals kein Anreiz ein zumindest rein elektrisches Auto zu erwerben.

Welchen Fortschritt kann/muss die Zukunft bringen?

Um die elektrische Mobilität weiter auf dem Gesamtfahrzeugmarkt zu forcieren, ist die gezielte und durch politische Maßnahmen unterstützte Entwicklung der batterieelektrischen Mobilität die Schlüsselaufgabe der nächsten Jahre. Diese Aufgabe wird in einer kaum überschaubar großen Menge an Entwicklungsprojekten von Universitäten, mittelständigen Unternehmen bis hin zum OEM heute bereits bearbeitet. Die Ansätze zur Schaffung einer effektiver gestalteten Elektromobilität sind zahlreich und zeigen einige im Nachfolgenden beschriebene Schlüsselbereiche:

Neue Batteriezellchemie:

Die Wahl einer bestimmten Batteriezellchemie hat direkten Einfluss auf die Produktionskosten, die Leistungsfähigkeit und die Nachhaltigkeit eines Elektroautos. Nickel- & Kobaltbasierte Zellchemie ist dabei aktuell der Stand der Technik. Die Herstellung von Kathodenmaterial Ausgangsmaterialien ist aktuell teuer und kritisch in Bezug auf die Abbaubedingungen, weswegen es einen Trend dahingehend gibt neue, unkritische Batteriezellchemie zu etablieren.
Zu erwarten ist, dass insbesondere Kobalt zeitnah in Batterien minimiert oder ganz ersetzt wird. NMC-Batterien, die heute meist in Elektrofahrzeugen verbaut werden, kommen heute schon mit immer weniger Kobalt aus. LFP-Batterien, die beispielsweise Tesla seit dem letzten Jahr in Fahrzeugen anbietet, haben zwar nicht das Leistungsniveau von NMC-Zellen, benötigten dafür aber keinerlei Kobalt oder Nickel.
Oft als die nächste Generation der heutigen Lithium-Ionen-Batterie beschrieben, bieten Festkörperbatterien ebenso eine Reihe von Vorteilen. Sie kommen ohne einen flüssigen Elektrolyten aus und reduzieren so die Kosten die sonst für die Verarbeitung von konventionellen Elektrolyten nötig werden. Sie kommen ebenso ohne die Verwendung von kritischen Rohstoffen aus, was die Zellen günstiger macht und gelten zudem als leistungsstärker. Weiterhin positiv ist, dass die Zellen sehr schnell zu laden sein sollen. Größtes Problem der Technologie ist jedoch, dass die Festkörperbatterien wohl noch einige Jahre brauchen werden bis sie im Massenmarkt verfügbar sind. Zuletzt gibt es eine Vielzahl verschiedener Batteriezellchemie Ansätze, die meist auf unkritischen Rohstoffen basieren. Lithium-Schwefel-, Aluminium-Ionen- bis hin zur Bio-Batterie. All diesen Ansätzen ist aktuell jedoch gemein, dass es keinerlei medial präsente Ansätze gibt diese Technologien von einem Versuchsstadium in ein Pilot- oder gar massenmarktfähigen Zustand zu transferieren.

Produktionseffizienzsteigerung:

Ein weiterer Weg um Batteriezellen leistungsfähiger aber vor allem kostengünstiger herzustellen, ist die Optimierung der Produktion. Sehr breit hat Tesla diesen Weg beim letzten Battery-Day im September 2020 vorgestellt. Alleine durch eine effektivere Gestaltung der Batteriezellproduktion, die bei Tesla bei einem optimierten Zelldesign beginnt, reduzieren sich zahlreiche kostenrelevante Faktoren. So gibt Tesla an, dass sich bis zum Jahr 2030 die Zellkosten halbieren lassen und die nötige Fläche für eine Batterieproduktion um bis zu 90% abnehmen soll.

Geschlossene Kreisläufe:

Von entscheidender Bedeutung um die Kosten für die Herstellung von Batterien zu senken wird auch ein effektives Recycling sein. Dort wo es gelingt, dass Rohstoffe aus alten Batteriezellen wiedergewonnen werden und so kostengünstiger als bei der Neuproduktion von Ausgangsstoffen der Batteriezellherstellung zur Verfügung stehen, wird zum einen die Umwelt entlastet und zum anderen auch die Herstellung günstiger. Aktuell zeigt sich dabei der Trend, dass immer dort wo Batteriewissen in der Industrie aufgebaut wird ein holistischer Ansatz bei der Betrachtung der Batterie verfolgt wird. Werden also Batteriestandorte geplant, so wird oftmals auch über ein geeignetes Recycling nachgedacht.

Günstigerer Strom und mehr Ladesäulen:

Vergleicht man aktuelle Schnellladesäulen, die am ehesten dem Elektroautofahrer den gleichen Standard wie dem Verbrennungsmotorfahrer bei der Ladegeschwindigkeit bieten können, dann gibt es aktuell noch zu wenig Anreiz über die reinen Ladekosten zum Elektroauto zu wechseln. Im Vergleich von Ladekosten im Jahr 2019 und 2021 hat sich kaum eine Veränderung gezeigt. Nach Aussage von ENBW ist hierdurch zwar trotzdem ein günstigeres Energietanken als beim Benzin möglich, jedoch fällt ein großer wirtschaftlicher Anreiz weg, den ein noch günstigeres Laden schaffen würde. Im Zuge des weiter zu erwartendem Anstieg der Elektromobilität wird zudem geschätzt, dass der Ladestrom noch teurer wird. Lösungen die Möglichkeiten für günstigen Ladestrom schaffen wirken daher aktuell noch unausgereift, zu bedenken ist jedoch auch, dass die Kosten für fossile Brennstoffe in der Zukunft wieder weiter ansteigen werden.

Neben günstigen Strom werden generell aber auch weitere Ladesäulen benötigt. Hier hat sich im Zeitraum von Ende 2019 bis Anfang 2021 gezeigt, dass der Ausbau der Ladesäulen zwar zunimmt sich jedoch nicht in dem Maße beschleunigt, wie es der Absatz von elektrischen Fahrzeugen in Deutschland in den letzten Jahren tat. Hier muss es in Zukunft zu einer deutlichen Zunahme an Ladestellen kommen, die in dieser Form jedoch auch von Experten erwartet wird.

Quellen:

1.https://www.greencarcongress.com/2020/12/20201209-qs.html

2.https://news.samsung.com/global/samsung-presents-groundbreaking-all-solid-state-battery-technology-to-nature-energy

3.https://www.enpowerinc.com/tesla-battery-day-enpowers-take/

4.https://www.electrive.net/2021/02/15/enevate-wirbt-frisches-kapital-fuer-vorserienfertigung-ein/

5.https://www.electrive.net/2020/10/09/inobat-stellt-erste-intelligente-batteriezelle-vor/

6.https://projectcobra.eu/

7.https://seekingalpha.com/article/4399502-update-on-byd-company-and-blade-battery

Weitere Quellen:

https://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/auto-verkehr/stromtankstellen-teurer-ladestrom-bremst-die-elektromobilitaet-16389353.html

https://www.enbw.com/elektromobilitaet/produkte/mobilityplus-app/laden-und-bezahlen

https://ev-database.de/pkw/1203/Volkswagen-ID3-Pro-S

https://www.volkswagenag.com/de/news/stories/2019/02/lithium-to-lithium-manganese-to-manganese.html

https://de.statista.com/statistik/daten/studie/460234/umfrage/ladestationen-fuer-elektroautos-in-deutschland-monatlich/

https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1076903/umfrage/anzahl-oeffentlicher-ladepunkte-fuer-elektrofahrzeuge-in-deutschland/