Elektromobilität: Trends in der Batterie-Entwicklung
Eine Prognose von Fraunhofer ISI zeigt auf, wohin sich die Batterietechnik in Elektroautos entwickelt. Entscheidender Faktor bleiben die Kosten.
(Bild: Pillau)
In die Entwicklung von Batterien fließen derzeit global enorme Ressourcen. Momentan dominiert im Elektroauto die Lithium-Ionen-Batterie mit einer Zellchemie aus Nickel, Mangan und Kobalt. Doch diese Zusammensetzung ist keinesfalls ohne Konkurrenz, und die Lithium-Eisenphosphat-Zelle ist nur einer der aussichtsreichen Kandidaten. Das Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI hat in einer Studie dargelegt, mit welcher Zellchemie wo zu rechnen ist und was das bedeutet.
Die ideale Zelle
Die ideale Batteriezelle ist robust, zyklenfesten, hat zusätzlich auch eine hohe kalendarische Haltbarkeit, eine hohe Energiedichte (volumetrisch und gravimetrisch), enthält keine schwer zu beschaffenden, teuren Rohstoffe und ist, aus Sicht der Industrie natürlich von besonderem Interesse, billig. Schon aus dieser unvollständigen Auswahl an Anforderungen wird deutlich, dass sie immer nur ein Kompromiss sein kann. Künftige Materialzusammensetzungen und Entwicklungsschritte bei den schon bekannten Technologien versprechen allerdings gerade bei Energiedichte und Kosten erhebliche Fortschritte. Fraunhofer ISI hat aufgeschlüsselt, mit welcher Entwicklung in diesen Punkten zwischen 2025 und 2035 grob zu rechnen ist.
| volumetrische Energiedichte (Wh/Liter) | gravimetrische Energiedichte (Wh/kg) | Kosten (Euro/kWh) | ||||
| 2025 | 2035 | 2025 | 2035 | 2025 | 2035 | |
| Lithium-Ionen | 600 – 750 | 800 – 960 | 200 – 300 | 320 – 360 | 90 – 175 | 45 – 90 |
| Natrium-Ionen | 250 – 300 | Über 400 | 140 – 160 | Über 200 | 80 – 120 | Unter 40 |
| Magnesium-Ionen | 150 – 300 | Über 400 | 50 – 150 | Über 300 | Keine Angabe | Unter 40 |
| Lithium-Schwefel | 300 bis 450 | 550 | Über 300 | 700 | Keine Angabe | 50 |
| Zink-Luft | keine Angabe | keine Angabe | 100 – 200 | 200 – 300 | 100 – 150 | 10 – 100 |
Quelle: Fraunhofer ISI
Dieser Ausschnitt aus der Prognose verdeutlicht, dass die Analysten bei Fraunhofer davon ausgehen, dass es gerade bei den Kosten massive Verschiebungen geben könnte. Wichtig ist hierbei, dass dies unter anderem von Skaleneffekten abhängig ist. Gelingt mit Materialmix die massenhafte Fertigung, können die Kosten in der Fertigung drastisch sinken. Wohin sich die Preise entwickeln, hängt natürlich wesentlich auch vom Rohstoffpreis ab. Gute Chance rechnet Fraunhofer Technologien zu, die Kostenvorteile oder eine hohe Verfügbarkeit von Ressourcen bietet. Ersteres gelte besonders für Zink-basierte Zellen, letzteres für Zellen, die auf Natrium und Magnesium setzen.
Wo kommt welche Technik?
Fraunhofer rechnet damit, dass Natrium-Ionen-Batterie auf absehbare Zeit vor allem in Kleinwagen, Zwei- und Dreirädern zu finden sein werden. Damit bekäme die dort auf breiter Front erwartete LFP-Zelle Konkurrenz. Beide gelten als robust, zyklenfest und potenziell günstig in der Herstellung. Durch ihre potenziell höhere Energiedichte hätten auch Magnesium-Ionen-Batterie eine Chance. In der Breite aber, so die Einschätzung, erst ab 2040.
Eine der zentralen Fragen betrifft die Abhängigkeit von Rohstoffen. Hier haben Zellen, die nicht auf den aktuell meist verwendeten Mix aus Nickel, Mangan und Kobalt setzen, noch vergleichsweise gute Aussichten, wenn auch erst langfristig. In den kommenden 5 bis 10 Jahren werde die Versorgung mit Nickel, Mangan, und Kobalt kritisch bleiben, fasst Fraunhofer zusammen. Genau das könnte jedoch ein zentraler Schlüssel werden, der die Entwicklung einer Alternative zur NMC-Zelle beschleunigt. Momentan haben diese Konkurrenten mehrheitlich noch eine geringere Energiedichte. Übersetzt bedeutet das schlicht: Für den gleichen Energiegehalt müssen mehr Rohstoffe eingesetzt werden.
Absehbar werden sich in den nächsten Jahren in neuen Elektroautos drei Technologien bei der Traktionsbatterie finden. Die Lithium-Ionen-Batterie mit NMC-Zelle wird vorerst dominieren. In den zurückliegenden Jahren ist der Kobalt- und Mangan-Anteil prozentual gesunken. Im vergangenen Jahr stieg der Preis für Nickel kurz nach dem Überfall Russlands auf ein Allzeithoch, 2023 sank er, allerdings nicht auf das Niveau vor dem Krieg. Solche Variablen auf dem Rohstoffmarkt haben große Auswirkungen auf Preise von neuen Elektroautos. Schließlich ist die Batterie das teuerste Bauteil.
Welchen Anteil werden LFP und Natrium haben?
Auch deshalb haben Lithium-Eisenphosphat-Zellen mittelfristig gute Chancen auf dem Markt. Wie schnell sie Konkurrenz durch die Natrium-Ionen-Batterien bekommen, ist umstritten. Prof. Dr. Markus Hölzle vom Zentrum für Solarenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) rechnet damit, dass 2030 gerade einmal drei Prozent aller neuen Elektroautos mit Natrium-basierten Batterien unterwegs sind. Das ist aus unserer Sicht eine konservative Schätzung, die je nach Entwicklung auf dem Rohstoffmarkt auch zu niedrig ausgefallen sein könnte. Mit einem von Fraunhofer prognostizierten, perspektivischen Preis von unter 40 Euro je Kilowattstunde Energiegehalt gibt es für die Industrie einen starken Anreiz, hier Ressourcen einzusetzen. Denn von einem darf man wohl weiterhin ausgehen: Kunden erwarten Elektroautos, die weniger kosten und weiter am Stück fahren, als das aktuell der Fall ist.
(mfz)