Tag der Batterie 2024: Perspektiven der Batteriezelltechnologien

Von Dr. Matthias Simolka der  TWAICE Technologies GmbH

Am 18. Februar jährt sich wieder der Tag der Batterie. Ihr Erfinder, Alessandro Volta, hätte sich vor 223 Jahren sicherlich nicht denken können, wie sich die Batterie bis heute weiterentwickeln würde und wie viele unterschiedliche Batterietypen es heute gibt. Der Jahrestag scheint mir genau der richtige Zeitpunkt, um einen Blick auf die aktuellen Entwicklungen der Batterieindustrie zu werfen. Denn große Fortschritte in der Entwicklung der verschiedenen Batteriezelltechnologien stehen heute neben tiefgreifenden Veränderungen in der Produktion und strategischen Justierungen der Lieferkette im Blickpunkt. Dabei sind die Themen Reichweite, Kosten und Nachhaltigkeit relevant sowie die Frage, wie sich der Wirtschaftsstandort Europa gegenüber der starken Konkurrenz aus China abheben kann. 

Etabliert, zuverlässig und sicher: Lithium

In den vergangenen Jahren hat sich die Lithium-Ionen-Batterie fest im Markt etabliert. Aktuell wird mit einem erhöhten Silizium-Anteil an der Anode an einer Optimierung der Leistung, vor allem für Sportwagen, gearbeitet. Darüber hinaus hat sich eine Zellchemie eher biederen Rufs durchgesetzt: Die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (LFP). Anfangs aufgrund ihrer niedrigen Energiedichte für den Gebrauch in Fahrzeugen noch verpönt, hat sie sich durch große Entwicklungssprünge in den vergangenen fünf Jahren zu einer veritablen Alternative entwickelt. So lassen sich sowohl günstige Fahrzeuge mit LFP-Batterien als auch Hochleistungsfahrzeuge mit Silizium-reichen NMC-Batterien produzieren. Doch Lithium ist ein relativ seltenes Material. Auch wenn es in Deutschland beispielweise im Oberrheingraben abgebaut werden könnte, ist das Eröffnen solcher Minen mit viel Bürokratie, hohen Investments sowie einer enormen Vorlaufzeit verbunden. Ein Blick auf alternative Technologien lohnt also.

Das Salz in der Suppe: Natrium 

Natrium-Ionen-Batterien nutzen statt Lithium das schwerere Element Natrium, welches nahezu unbegrenzt – zum Beispiel aus Meerwasser – gewonnen werden kann. Zu den derzeitigen Herausforderungen bei Natrium-Ionen-Batterien gehören noch das Gewicht und die Energiedichte, beides dürfte sich jedoch durch die Weiterentwicklung der noch jungen Technologie in den nächsten Jahren stark verbessern. Dank der Kompatibilität zu bestehenden Produktionslinien von LFP-Batterien wird eine schnelle Skalierbarkeit von Natrium-Ionen-Batterien und Integration in die aktuelle Lieferkette leichter möglich sein.

Insbesondere in kostensensiblen Mobilitätsmärkten, wie z. B. dem Markt für Kleinfahrzeuge in Regionen wie China, Indien und Europa, ist die Natrium-Ionen-Technologie aufgrund ihrer Erschwinglichkeit klar im Vorteil.  Natrium-Ionen-Batterien werden immer in Preiskonkurrenz mit ihren Lithium-basierten Pendants stehen, vor allem mit LFP-Batterien. Es wird langfristig vermutlich hauptsächlich eine anwendungsspezifische Entscheidung sein, welche Technologie eingesetzt wird.

Marktreife weiter auf dem Prüfstand: Feststoff

Neben LFP- und Natrium-Ionen-Batterien gilt die Feststoffbatterie oder auch Solid State oft als der Dauerbrenner unter den neuen Batterietechnologien. Zunehmende Praxistests werden über die tatsächliche Markttauglichkeit von Feststoffbatterien entscheiden. Feststoffbatterien stellen jedoch eher eine Premium-Option dar. Sie versprechen zwar eine bessere Leistung, wie z. B. schnelles Aufladen und eine größere Reichweite, diese Vorteile haben aber einen hohen Preis, der nur für bestimmte Anwendungen gerechtfertigt ist. Die Wahl zwischen den beiden hängt also letztendlich von den spezifischen Bedürfnissen und Prioritäten im jeweiligen Bereich der Energiespeicherung ab.

223 Jahre – und kein Ende in Sicht  

Also, Natrium-Ionen-Batterien entwickeln sich zu einer starken Option für stationäre Speicher, Nickel-Mangan-Kobalt-Batterien mit siliziumreichen Anoden eignen sich kurzfristig gut für Hochleistungsfahrzeuge. Feststoffbatterien versprechen langfristig Ersatz für unter anderem Hochleistungsanwendungen, und Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien sind ideal für Massenfahrzeuge geeignet. Fest steht, dass finanzielle Mittel in die Batterieforschung und den Ausbau der europäischen Lieferketten, Produktions- und Prozessanlagen fließen muss, damit sich Europa als Wirtschaftsstandort von China abheben und längerfristig eine Unabhängigkeit in der Batterieproduktion erreichen kann. 

Über den Autor

Dr. Matthias Simolka arbeitet als Produktmanager bei TWAICE. In dieser Funktion schlägt er die Brücke zwischen Kunden und Technik. Vor seiner Tätigkeit bei TWAICE war Matthias Simolka mehrere Jahre in der akademischen Forschung tätig und beschäftigte sich mit den Alterungsmechanismen moderner Lithium-Ionen-Batterien. Seine Forschung kombinierte Materialanalysen bis in den Nanometerbereich mit Beobachtungen auf Systemebene, um das Batterieverhalten mit den konkreten Degradationsmechanismen zu verknüpfen. Nach der akademischen Forschung arbeitete er einige Jahre als Berater mit Schwerpunkt Deutscher Energiemarkt mit besonderem Augenmerk auf erneuerbaren Energien und Energiespeichertechnologien.