Bild 1: Prof. Martin Winter vom MEET ist einer der wissenschaftlichen Leiter der Advanced Battery Power.

Prof. Martin Winter vom MEET ist einer der wissenschaftlichen Leiter der Advanced Battery Power. (Bild: Nicole Ahner)

Die Advanced Battery Power bietet Entwicklern, Forschern und Firmenvertretern jedes Jahr eine Plattform, ihre Projekte und Produkte entlang der Wertschöpfungskette für Batterien einem breiten Fachpublikum vorzustellen. In diesem Jahr konnte die Veranstaltung mit einem neuen Rekord bei den Einreichungen von Postern und Beiträgen aufwarten – sehr zur Freude des Veranstalters Haus der Technik.

Prof. Martin Winter vom MEET-Batterieforschungszentrum an der Universität Münster und Prof. Dirk Uwe Sauer vom Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen übernahmen die wissenschaftliche Leitung der Advanced Battery Power. Zu den am heißesten diskutierten Themen gehörten in diesem Jahr die rasante Entwicklung des Batteriemarktes getrieben durch Elektromobilität, die nachhaltige Sicherung von Quellen für Rohmaterialien und potenzielle Nachfolger für die Lithium-Ionen-Technologie.

Rasante Marktentwicklung

Bild 2: Christophe Pillot von Avicenne Energy gab einen umfassenden Überblick über den Batteriemarkt.

Christophe Pillot von Avicenne Energy gab einen umfassenden Überblick über den Batteriemarkt. Nicole Ahner

Bild 7: Die Rohmaterialien für die Kathode machen einen Großteil der Kosten von Lithium-Ionen-Batterien aus.

Die Rohmaterialien für die Kathode machen einen Großteil der Kosten von Lithium-Ionen-Batterien aus. Avicenne Energy

Lithium-Ionen-Batterien stellen den am schnellsten wachsenden Markt dar – und sie sind laut Christophe Pillot von Avicenne Energy auch der Bereich, in den die Industrie am meisten investiert. Das CAGR (Compound Annual Growth Rate, durchschnittliches jährliches Wachstum in einem Zeitabschnitt) von 2010 bis 2017 für Lithium-Ionen-Zellen lag bei +26 Prozent. Reell betrachtet sei jedoch noch immer der Markt für Blei-Säure-Batterien mit einem Anteil von 75 Prozent der stärkste Bereich, da diese der Standard für Starterbatterien sind. Das größte Wachstum am Markt kommt aus den Bereichen Industrial (Mobil: Gabelstapler, Stationär: Telekommunikation, UPS, Energiespeichersysteme, Medizin, Bahn) und Automotive mit Hybrid- und Elektrofahrzeugen.

Gerade im Mobilitätsbereich wurde der Markt für Lithium-Ionen-Speicher 2017 von den Aktivitäten in China dominiert: Elektrofahrzeuge und Busse sind hier die größten Verbraucher und machen auf dem Weltmarkt 37 Prozent aus, während ähnliche Aktivitäten im Rest der Welt nur 20 Prozent des Batteriemarktes belegen. Die rasante Marktentwicklung in China liegt vor allem daran, dass hier Elektromobilität nicht wegen Kundennachfrage, sondern vorrangig auf Basis von Regierungsverordnungen Fuß fasst.

Rohmaterialien sichern

Bild 4: Die Sicherung von Rohstoffenquellen ist essen-ziell, sagte Dr. Helena Berg von AB Libergreen.

Die Sicherung von Rohstoffenquellen ist essenziell, sagte Dr. Helena Berg von AB Libergreen. Nicole Ahner

Rohmaterialien machen bei einer Lithium-Ionen-Batterie den größten Anteil der Gesamtkosten aus. Die Kathode schlägt dabei mit 27 Prozent der Gesamtkosten zu Buche, für den Separator fallen acht Prozent, für den Elektrolyten sechs Prozent und für die Anode fünf Prozent an. Im Jahr 2000 wurden 7000 Tonnen aktiver Kathoden-Rohmaterialien benötigt – 2017 überstieg die Zahl bereits 260.000 Tonnen und perspektivisch sollen laut der Analyse von Avicenne Energy in 2025 getrieben durch die Elektromobilität bereits 850.000 Tonnen an Rohmaterialien für die Kathode anfallen.

Der Vorreiter bei den Kathodenmaterialien ist dabei NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid) mit einer Zunahme von 31 Prozent in 2016 auf 68 Prozent in 2025. Damit erhöht sich auch der Bedarf an Metallen, vor allem bei Cobalt, Nickel und Lithium. Hierbei ist es wichtig, dass Hersteller sich nachhaltig die Quellen für Rohmaterialien sichern und dabei vor allem auch Kosten mit einkalkulieren, die durch Umweltschäden beim Abbau der Materialien entstehen. Genau diesem Thema widmete sich Dr. Helena Berg von AB Libergreen auf der Advanced Battery Power. Mit Blick auf Preis und Nachhaltigkeit sei die Magnesium-Batterie zu empfehlen. Kommen nur die Zell-Kosten in Betracht, wäre die Lithium-Ionen-Batterie mit höherer Zellspannung die richtige Wahl – aber nur unter der Voraussetzung, dass der Elektrolyt auch bei diesen höheren Potenzialen stabil bleibt.

Aus Sicht der Kosten, die beim Abbau und durch den Eingriff in die Natur entstehen, ist die Natrium-Ionen-Batterie empfehlenswert – aber auch nur dann, wenn sie die gleiche Lebensdauer wie heutige Lithium-Ionen-Batterien erreicht. Sind die genannten Voraussetzung nicht erfüllbar, dann sei die Lithium-Ionen-Batterie, wie wir sie heute kennen, noch immer die beste Wahl für die Zukunft. Mit derzeitiger Batterietechnologie müssen sich Hersteller vor allem die Quellen für Lithium, natürliches Graphit, Cobalt und Fluor sichern und die weltweite Lithium-Produktion – ob durch Abbau oder Recycling – muss um 20 Prozent ansteigen, um den Bedarf zu decken.

 

Warum Batterien sich perspektivisch vom Cobalt verabschieden müssen, welche Alternativen es gibt und was Elektromobilität für einen Produktionsstandort bedeutet, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Nachhaltig ohne Cobalt

Bild 5: Ziel von Prof. Stanley Whittingham von der State University of New York: Auf Cobalt verzichten.

Ziel von Prof. Stanley Whittingham von der State University of New York: Auf Cobalt verzichten. Nicole Ahner

Bild 8: Seit Anfang 2017 hat sich der Preis für Cobalt drastisch erhöht – einer der Gründe, in zukünftigen Batterietechnologien ganz auf das Material zu verzichten.

Seit Anfang 2017 hat sich der Preis für Cobalt drastisch erhöht – einer der Gründe, in zukünftigen Batterietechnologien ganz auf das Material zu verzichten. NY State Universtiy

Bild 9: Magnesium-Batterien hängen den Zellspannungen von Li-Ionen-Batterien um ein Volt hinterher.

Magnesium-Batterien hängen den Zellspannungen von Li-Ionen-Batterien um ein Volt hinterher. NY State University

Aus Sicht der Öko-Effizienz sollten Cobalt-freie Kathoden das Ziel für Batterieentwickler sein. Diese Meinung vertrat auch Prof. Stanley Whittingham von der State University of New York auf der Advanced Battery Power. Der Grund dafür seien nicht nur die rasant steigenden Kosten für Cobalt, sondern auch ethische Bedenken – tritt in afrikanischen Abbaugebieten doch immer noch Kinderarbeit auf. Whittingham gab einen Überblick über die historische Entwicklung der Lithium-Ionen-Technologie von der ersten Interkalations-basierten Lithium-Batteriezelle in den 1970ern bis zu den aktuellen Entwicklungen zur Magnesium-Batterie. Trotz vieler Forschungsanstrengungen erreicht diese Batterie-Technologie noch immer nicht die Zellspannung, die mit Lithium-Ionen-Batterien möglich ist – und damit lautete das Fazit für Whittingham: „Alles was Magnesium kann, kann Lithium besser“.

Bild 6: Dr. Holger Althues vom Fraunhofer IWS setzt auf die Lithium-Schwefel-Batterie.

Dr. Holger Althues vom Fraunhofer IWS setzt auf die Lithium-Schwefel-Batterie. Nicole Ahner

Bild 10: Lithium-Schwefel-Zellen leiden unter Elektrolytschwund und Korrosion der Anode.

Lithium-Schwefel-Zellen leiden unter Elektrolytschwund und Korrosion der Anode. Fraunhofer IWS

Forschung an vorderster Front der Lithium-Schwefel-Batterie betreibt das Frauhofer IWS in Dresden, auf der Konferenz vertreten durch Dr. Holger Althues. Lithium-Schwefel-Batterien können hohe spezifische Energiedichten erreichen und sind besonders preiswert herstellbar, da das Grundmaterial Schwefel mit deutlich weniger als einem Euro je Kilogramm zu Buche schlägt. Allerdings hindert der Elektrolytschwund und die Korrosion der Anode die Li-S-Batterie aktuell daran, hohe Zykluszahlen zu erreichen. Althues stellte die aktuellen Ergebnisse der Forschung an Elektrolyten vor, die eine geringe Löslichkeit für Polysulfide aufweisen und damit die Degradation der Anode reduzieren.

Evolution der Fahrzeugfertigung

Bild 3: Zeigte, wie E-Autos die BMW-Produktion in Dingolfing ändern: Werksleiter Dr. Andreas Wendt.

Zeigte, wie E-Autos die BMW-Produktion in Dingolfing ändern: Werksleiter Dr. Andreas Wendt. Nicole Ahner

Elektromobilität stellt auch die Automobilfertigung vor große Herausforderungen. Bis 2025 geht die BMW-Gruppe davon aus, dass E-Autos zwischen 15 und 25 Prozent ihrer Verkäufe ausmachen. Für den Leiter des Werkes in Dingolfing Dr. Andreas Wendt stellte sich auf der Advanced Battery Power daher die Frage, wie sich die Produktion von Hybrid- und Elektrofahrzeugen nahtlos in die aktuelle Produktion integrieren lässt. Es mache aus OEM-Sicht keinen Sinn, für jedes neue Produkt auch eine neue Fertigung zu bauen. Eine Herausforderung für aktuelle Produktionsstandorte stelle die Batterie der Elektrofahrzeuge dar, wird der komplette Pack doch perspektivisch nicht weniger als 800 kg auf die Waage bringen.

Bei der Evolution des Werkes hin zur Elektromobilität seien die ersten Schritte bereits bewältigt: 500 bis 600 Angestellte des Werkes haben bereits ihre Aktivitäten hin zu den EV/HEV-Produkten verlagert – Tendenz steigend. Systemintegration und flexible Fahrzeug-Archtitekturen sind dabei die Schlagworte für BMWs Produktionsnetzwerk. Ab 2021 will das Unternehmen das BEV iNext in einer Fertigungslinie gemeinsam mit Verbrenner- und Hybridfahrzeugen in Dingolfingen produzieren.

 

Dieser Beitrag ist in der emobility tec, dem technischen und technologischen Fachmedium für Hybridfahrzeuge und Elektromobilität, erschienen.

 

Dr.-Ing. Nicole Ahner

Autor
Redakteurin emobility tec

(na)

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