Nachhaltigkeit und Effizienz prägen die Batterieentwicklung

In der Elektrozahnbürste, im Smartphone, im E-Bike und nicht zuletzt im batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeug: Lithium-Ionen-Batteriezellen sind heutzutage ein tagtäglicher Begleiter und sorgen für Energie in unzähligen Lebenssituationen. Seit den ersten Anwendungen zu Beginn der 1990er-Jahre hat die Technologie große Entwicklungssprünge vollzogen. Ein Ende des Booms ist nicht absehbar – ganz im Gegenteil, mit dem Ausbau der E-Mobilität werden auch die Fertigungskapazitäten für Batteriezellen in den kommenden Jahren deutlich erweitert.
 

Erste Lithium-Ionen-Serienanwendungen vor 30 Jahren

Der Siegeszug der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen beim Endverbraucher begann mit ersten Camcorder-Modellen eines japanischen Herstellers vor rund 30 Jahren. Die Lithium-Ionen-Zelltechnologie stellte seinerzeit einen Quantensprung dar. Die Volumen- und Gewichtsreduzierung des Energiespeichers zählt ebenso zu den Vorteilen wie höhere Energie- und Leistungsdichten im Vergleich zu anderen Batteriezellen. Die permanente Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technik hat seitdem den Weg zu einer Vielzahl neuer, inzwischen alltäglicher Produkte geebnet – von der Unterhaltungselektronik über die Elektromobilität bis hin zu akkubetriebenen Gartengeräten und Werkzeugen sowie stationären Energiespeichern für den Heimbereich.
 

Technologie-Baukasten für individuelle Lösungen

Aufgrund dieser Vielfalt liegt es auf der Hand, dass eine Universalbatterie für unterschiedlichster Anwendungen nicht vorstellbar ist. Stattdessen sind wiederaufladbare Batterien zu einem komplexen Technologie-Baukasten geworden, der individuell ausgelegte Lösungen für die jeweilige Anforderung ermöglicht. Der Schlüssel dafür liegt in der Auswahl der Zellchemie und der verwendeten Materialkomponenten sowie ihren jeweiligen Eigenschaften. Diese Vielfältigkeit unterschiedet die Lithium-Ionen-Technik ganz erheblich beispielsweise von Bleibatterien. Grundsätzlich lassen sich bei der Auslegung der Energiespeicher zwei Pfade unterschieden:

• High-Power-Zellen sind zugeschnitten auf Anwendungen, die hohe Ströme in kürzester Zeit erfordern.
• High-Energy-Zellen eignen sich für Anwendungen, die Energie über einen möglichst langen Zeitraum abrufen.
   

Batterieproduktion wächst – auch in Europa

Aktuell wird die globale Batterieproduktion von asiatischen Ländern dominiert, allein auf chinesische Hersteller entfallen 558 Gigawattstunden der weltweiten Gesamtproduktion von 706 Gigawattstunden im Jahr 2021, so die Studie „S&P Global Market Intelligence“ (Februar 2021). Hersteller in Deutschland trugen im selben Jahr lediglich etwa elf Gigawattstunden bei. Mit dem stetig steigenden Bedarf an Lithium-Batteriezellen laufen daher umfassende Anstrengungen, um größere Produktionskapazitäten in Europa zu schaffen. Nach Zahlen des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) könnte die jährlich Batteriefertigung in Europa bis zum Ende des Jahrzehnts auf bis zu 1,5 Terawattstunden steigen, mehr als ein Viertel davon dürfte in Deutschland angesiedelt sein.
 

Kontinuierliche Verbesserung der Energiedichte

Bei den technologischen Trends steht insbesondere die kontinuierliche Steigerung der Energiedichte im Fokus. Seit den ersten Serienanwendungen ist es gelungen, die Energiedichten von Lithium-Ionen-Zellen zu verdreifachen. Weitere Entwicklungssprünge sind notwendig, insbesondere um die Reichweiten und Batteriegewichte von Elektrofahrzeugen weiter zu optimieren. Die Lithium-Ionen-Technik dürften dabei auch in den kommenden Jahrzehnten dominierend bleiben. Mit Blick auf neue Batteriematerialien sind die Erwartungen an die Festkörper-Technologie hoch. Das gilt insbesondere für Anwendungen im Fahrzeugbau, bei denen nicht brennbare Festelektrolyte unter Aspekten der Sicherheit und des Thermomanagements eine Reihe von Vorteilen versprechen. Allerdings dürften bis zu den ersten Serienanwendungen noch einige Jahre vergehen. So kommt etwa das Fraunhofer ISI in seiner Roadmap für Feststoffbatterien zum Ergebnis, dass Feststoffbatterien ihre Kommerzialisierbarkeit in den kommenden fünf Jahren erst noch zu beweisen haben.
 

Zellformate entwickeln sich weiter

Viele Projekte konzentrieren sich bei Lithium-Ionen-Batterien aktuell auf die Zellformate, bis hin zu großformatigen Zellen für E-Fahrzeuge. Die Fraunhofer-Studie „Development perspectives for lithium-ion battery cell formats“ beschreibt den Status Quo und stellt Möglichkeiten zur Weiterentwicklung dar. In diesem Zusammenhang sprechen die Fraunhofer-Institute ICT, IPA, ISI und die Fraunhofer-Einrichtung FFB von einem möglichen Paradigmenwechsel: Statt wie bisher das Anwendungsdesign auf die Batterie anzupassen, könnte der Trend dahin gehen, das Batteriedesign auf die Anwendung maßzuschneidern. Ein Beispiel ist das „cell to pack“-Konzept, das Batteriezellen im Fahrzeug integriert, ohne diese in Modulen konfektionieren zu müssen.
 

Nachhaltigkeit und Rohstoffverfügbarkeit im Fokus

Nachhaltigkeit als übergeordnetes Ziel, die Verfügbarkeit von Rohstoffen, die wachsende Zahl von Elektroautos sowie der Wunsch nach immer leistungsfähigeren Batterien: Diese prägenden Trends für den globalen Batteriemarkt nennt wiederum der „Battery Monitor 2022“, den der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen veröffentlicht hat. Laut Studie könnte die weltweite Batterieproduktion bis 2030 bei sechs bis neun Terawattstunden liegen. Zugleich wachsen die Anforderungen an die Nachhaltigkeit etwa in Form der EU-Batterie-Direktive, die sukzessive den Einsatz wiederverwerteter Materialien vorschreibt. Damit werden auch die Recycling-Kapazitäten ausgebaut: Die in Europa verfügbaren Anlagen könnten laut Studie bis 2030 ihr Volumen von derzeit 116 auf etwa 400 Kilotonnen pro Jahr erhöhen.
 

Geballtes Fachwissen zur Batterietechnik

Das Entwicklungstempo im Bereich der Batterietechnologien dürfte somit in den kommenden Jahren hoch bleiben – angetrieben nicht zuletzt durch den Ausbau der Elektromobilität. Kompetenz und dezidiertes Fachwissen zu Technologien, Produktion und Anwendung vermittelt der Zertifikatslehrgang „Fachingenieur Batterien VDI“. Neben vielen weiteren Themen rund um die Elektrifizierung des Antriebs nimmt dabei die Batterietechnik großen Raum ein. Ein hohes Maß an Praxisnähe ist gewährleistet: Dazu werden die Module vielfach durch praktische Einblicke und Laborbesuche beispielsweise in Fraunhofer-Instituten abgerundet.