Die Zukunft der Batterie

Foto: shutterstock/Pixel Embargo

Das Fraunhofer ISI lotet die Perspektiven und Herausforderungen für die Batterieforschung und -entwicklung aus.

Im kommenden Jahrzehnt wird die Nachfrage nach Batterien drastisch zunehmen, wenn sich Elektrofahrzeuge, tragbare digitale Elektrogeräte sowie stationäre dezentrale Energiespeicher weiter durchsetzen. Mit Blick auf den Rohstoffbedarf, die Produktionskapazitäten oder das Recycling sind die aktuell verfügbaren Technologien fraglos nicht beliebig skalierbar.

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Mit der Roadmap „Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zukünftiger Batterietechnologien“ stellt das Fraunhofer ISI ein Update seiner Energiespeicher-Roadmaps vor. Die Publikation widmet sich zum einen den Herausforderungen für Forschung und Entwicklung von Hochenergie-Batterien, für welche derzeit die Zellproduktionskapazitäten weltweit massiv ausgebaut werden. Zum anderen zeigen die Untersuchungen auf, ob und welche alternative Batterietechnologien jenseits 2030 in den Markt kommen könnten.

Nachfrage nimmt drastisch zu

Allein Europa könnte mit einem Anteil von 20- 30 Prozent der globalen Nachfrage dazu beitragen, dass Zellproduktionskapazitäten von mindestens 200 GWh bis in den TWh-Bereich bis etwa 2030 an europäischen Standorten aufgebaut werden müssen. Die derzeit für Europa angekündigten Kapazitäten asiatischer und europäischer Zellhersteller können diese Nachfrage nicht bedienen. Mit Blick auf die internationalen Lieferketten von den Rohstoffen bis zum Recycling und der Wiederverwertung müssen sich die Batterieindustrie und davon abhängige Systemintegratoren dringend auf diese Entwicklungen vorbereiten, fordern die Wissenschaftler.

Hochleistungsbatterien

Wie derartige Entwicklungen oder konkret zu lösende Herausforderungen für die Technologieentwicklung von Lithium-Ionen- bzw. Lithium-basierten-Batterien der kommenden 10-15 Jahre aussehen könnten, benennt die normative Roadmap Hochenergie-Batterien 2030+. Dabei wird aufgezeigt, wie ein sukzessiver Wechsel aller Zellkomponenten (Kathode, Anode bis Elektrolyt/Separator) bis hin zu Feststoffbatterien erfolgen kann, um die Anforderungen an höhere Energiedichten zu erfüllen und insgesamt den Energiedurchsatz im Batteriesystem zu verbessern. Nach Einschätzung der Experten muss eine Optimierung durch das Zusammenspiel der Zellmaterialien und -komponenten erfolgen und zudem die Entwicklungen bis auf Zell- und Systemebene sowie die Anwendungsintegration miteinbezogen werden.

Allerdings seien mit der Entwicklung von Hochenergie-Batterien auch Risiken verbunden, betonen die Experten und verweisen zum Beispiel auf die Gefahr einseitiger technologischer Abhängigkeiten. Bereits heute versuchen sich einige Hersteller den Zugang zu zentralen Batterierohstoffen wie Kobalt und Lithium für die kommenden Jahre zu sichern. Langfristig werden Aspekte der Ressourcenverfügbarkeit und Nachhaltigkeit immer mehr an Bedeutung gewinnen und sich die Frage nach der Rohstoffsubstitution und Verfügbarkeit alternativer Technologien stellen. Hier sei eine große Palette vorhanden, allerdings bestünden in der Praxis noch viele ungelöste Herausforderungen, wie fehlende geeignete Elektrolyte, welche die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien und auch das Elektrodendesign begrenzen. Zudem sind Fragen einer künftigen produktionstechnischen Umsetzung in der Regel noch völlig offen. Forschungsaktivitäten im Bereich alternativer Batterietechnologien seien jedoch wichtig, meinen die Experten, denn es sei nicht auszuschließen, dass künftig ein stärkerer Fokus auf Nachhaltigkeitsaspekte gelegt werde. Auch bei schlechteren Leistungsparametern könnten solche Lösungen dann zum Beispiel mit Blick auf Ressourcenverfügbarkeit und Kosten zukünftig Alternativen darstellen.

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