Eine neue Roadmap des Fraunhofer ISI zu Lithium-Ionen-Batterien (LIB) konzentriert sich auf die Skalierungsaktivitäten der Batterieindustrie bis 2030. Die Analyse betrachtet mögliche technologische Optionen, Ansätze und Lösungen für die Bereiche Materialien, Zellen, Produktion, Systeme und Recycling. In der Studie werden insbesondere drei Trends untersucht: die Produktion von leistungsoptimierten, kostengünstigen und nachhaltigen Batterien.
Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien wächst weiter: Im Jahr 2023 könnte der globale Absatz erstmals die Marke von 1 Terawattstunde (TWh) überschreiten, berichten die Studienautoren. Bis 2030 dürfte sich die Nachfrage auf über 3 TWh mehr als verdreifachen, was zahlreiche Auswirkungen auf die Branche, aber auch auf die Technologieentwicklung und die Anforderungen an Batterien habe. So schrieben beispielsweise die jüngsten gesetzlichen Bestimmungen bei Batterien ein Mehr an Nachhaltigkeit vor. Der massenhafte Einsatz von LIBs in Elektrofahrzeugen habe die Frage des Batteriepreises in den Vordergrund und eher technische Faktoren wie Energiedichte und Reichweite in den Hintergrund gedrängt.
1. Trend: Leistungsoptimierte Batterien
Die Studienergebnisse für den ersten Trend hin zu leistungsoptimierten Batterien zeigen, dass es in den nächsten Jahren ehrgeizige Entwicklungsziele gibt, um insbesondere bei den Parametern Energiedichte und Schnellladefähigkeit deutliche Verbesserungen zu erzielen. Für einige Flaggschiff-Fahrzeuge sollen die Laderaten auf 4C und damit in den Bereich von 10 bis 20 Minuten Ladezeit beschleunigt werden. Um diese Ziele zu erreichen, setzt die Industrie auf Hochnickelkathoden, Siliziumanoden und neue Zell- und Packdesigns, die den Platzbedarf, die thermische Kopplung und die Sicherheitseigenschaften verändern. Auf Systemebene bietet beispielsweise die 800-V-Technologie einen neuen Weg zur Verbesserung der Batterieleistung.
2. Trend: Batteriekosten senken
Ein zweiter bedeutender und laut den Analysten vielleicht noch wichtigerer Trend besteht in der Senkung der Batteriekosten. Ihre Roadmap unterstreicht, dass das Kostenziel auf der Ebene der Batteriepacks immer noch deutlich unter 100 EUR/kWh liegt, was eine Senkung um 30 bis 50 Prozent im Vergleich zu den heutigen Kosten bedeuten könnte. Die Industrie wolle dieses Ziel durch die Nutzung sowohl cobalt- als auch nickelfreier Materialien, die Standardisierung von Zellen und die Direktintegration ins Batteriepack erreichen. Auch neue Produktionsprozesse könnten dazu beitragen, sowohl durch den Hebel der Energie- und Anlagenkosten als auch über eine Standardisierung der Fabriken selbst. Auch zeige sich bei den Kosten, dass Technologien eben doch nicht unbedingt standortneutral sein. Niedrige Batteriekosten könnten auch durch die Verlagerung von Fabriken an günstigere Produktionsstandorte erreicht werden.
3. Trend: Nachhaltige Batterien herstellen
Der dritte Trend, die Herstellung nachhaltiger Batterien, gewinne durch die EU-Batterierichtlinie, aber auch durch eine wachsende Zahl von Automobilherstellern an Dynamik. Nachhaltigkeit könne viele Faktoren betreffen, von der Rohstoffgewinnung bis hin zur Produktion und Nutzungsszenarien. In den kommenden Jahren dürfte sich die industrielle Entwicklung eher auf Zelltechnologien und Produktionstechnologien fokussieren, von denen einige sogar Nachhaltigkeit, etwa einen geringen CO2-Fußabdruck, mit niedrigen Kosten kombinieren. Dazu zählten eisen- und manganbasierte Kathoden, eine wasserbasierte oder trockene Elektrodenprozessierung und die Rückgewinnung von Materialien am Batterielebensende durch Recycling.
Auch der Produktionsstandort spiele eine wichtige Rolle für die Nachhaltigkeit, da er von Faktoren wie dem verfügbaren Energiemix und der Entfernung zu vor- und nachgelagerten Produktionsstätten beeinflusst werde.
Batterien mit klaren Profilen und Anwendungsfällen
Die drei in der Studie diskutierten Schlüsseltrends stehen teilweise im Widerspruch: „Hohe Performance ist manchmal teuer und die hohe Priorität eines geringen ökologischen Fußabdrucks kann zum Beispiel die Nutzung einiger Technologien einschränken. Folglich sollte die Industrie hier diversifizieren und Batterien mit klaren Profilen und Anwendungsfällen herstellen“, so die Autoren. Zellhersteller, Autobauer, Start-ups und ihre Joint Ventures würden bis 2028 eine jährliche Zellproduktionskapazität von mehr als 10 TWh aufbauen wollen. Berücksichtige man die Wahrscheinlichkeit für die tatsächliche Umsetzung und typische Verzögerungen, schienen bis zu 5 TWh realistisch zu sein.
Was die Produktion von Anoden- und Kathoden-Aktivmaterialien betrifft, so seien für 2028 etwa 3 TWh angekündigt worden, was näher am prognostizierten Batteriebedarf der Anwendungsmärkte von 2 bis 3,5 TWh liege. Wie sich die Batterierecyclingkapazität entwickeln werde, sei noch unklar. Alle Ankündigungen der letzten Jahre zeigten ein asymmetrisches Bild entlang der LIB-Wertschöpfungskette, in der der Schwerpunkt lange auf der Zellproduktion gelegen habe. Im Bereich der Materialien und Komponenten habe die Industrie noch Nachholbedarf.
Europa auf dem Weg zur Selbstversorgung?
Christoph Neef, wissenschaftlicher Koordinator der Studie, sieht Europa auf einem guten Weg, ein wichtiger Akteur in der globalen Batteriezellenproduktion zu werden. „In Europa gibt es Pläne zum Aufbau von Zellproduktionskapazitäten in Höhe von 1,7 TWh aufgrund einer steigenden Elektrofahrzeug-Produktion. Berücksichtigt man die Realisierungswahrscheinlichkeit und mögliche Verzögerungen, scheint bis 2030 rund 1 TWh realistisch zu sein. Die Zahlen für Europa bestätigen den globalen Trend einer starken Konzentration auf Projekte und Investitionen in die Zellproduktion. Das Ziel, 30 Prozent der weltweiten Zellproduktion auf europäischem Boden anzusiedeln, könnte erreicht werden.“
Neef fügt aber hinzu, dass Europa bei der Produktion von Anodenmaterialien schwach bleiben dürfte und weiter auf Importe angewiesen sei. Auch andere Lücken bestünden fort, etwa bei passiven Zellkomponenten oder der Schlüsseltechnologie Lithiumeisenphosphat, die für kostengünstige Batterien extrem wichtig sei. Bisher sei der Ausbau der Produktionskapazitäten und die Frage, welche Hersteller diese Technologie in der Zellproduktion abdecken könnten, noch ungeklärt. Ebenso habe sich noch kein Materialhersteller verpflichtet, nennenswerte Kapazitäten für Siliziummaterialien aufzubauen, die als LIB-Technologie der nächsten Generation gelten.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, spielten Investitionen sowie gute Investitionsbedingungen, aber auch niedrige Energiekosten und qualifizierte Arbeitskräfte eine wichtige Rolle. Die Straffung bürokratischer Prozesse und die Verringerung zeitaufwändiger Verfahren sowie staatliche Subventionen und Finanzierungsmechanismen könnten dazu beitragen, mehr industrielle Akteure anzulocken und so für gleiche Wettbewerbsbedingungen mit außereuropäischen Länder sorgen.
Envision meint
Naja, jetzt macht man noch großes Bohei, aber wenn wir mal bei sagen wir 5k für einen 90kwh Akku sind wir der vermutlich wieder vollkommen zweitrangig und es kommt wieder viel stärker auf das Auto drumherum an, mit NMC Chemie werden wir das sicher nicht erreichen, aber allein die LFP Entwicklungen waren schon groß und Natrium als echter Preisgamechanger steht ja wohl auch vor der Tür.
Ob eine VW Mercedes BMW etc. nun die Zellen dann vom (Asiaten) X und/oder Y beziehen ist dann auch vollkommen wurscht solange sie halten, ob der eine OEM 500 Euro mehr oder weniger dann für den ganzen Pack zahlen muss, vermutlich genauso.
Das wird dann ähnlich wie heute die wenigsten wissen ob ihr (Automatik) Getriebe im Verbrenner von Zulieferern wie ZF, Aisin, Getrag stammt oder was eigenes vom OEM ist,
die Gesamtkomposition des Fahrzeugs zählt.
EVrules meint
Na-Ion Zellen für PKW-Anwendungen haben eine erschreckend niedrige Energiedichte, zumal hier noch keine Industrialisierung stattfand, noch Skaleneffekte zum Tragen kämen, um von einer realen Umsetzung zu sprechen.
Als Beispiel, mit Bezug auf die Aussagen von Dr. Brenner (Helmholtz-Institut Ulm / yt: „Materialien in Natrium-Ionen-Batterien – Dr. Dominic Bresser“) ergeben sich aktuelle Werte der Energiedichten
NMC: 500Wh/l – 280Wh/kg
LFP: 350Wh/l – 200Wh/kg
Na-Ion: 300Wh/l – 160Wh/kg
50kWh bedeuten in den jeweiligen Zelltypen:
NMC: 100l – 179kg
LFP: 143l – 250kg
Na-Ion: 167l – 313kg
Na-Ion Zellen können dort gut aufgehoben sein, wo Platz und Gewicht keine Rolle spielen, also in stationären Anwendungen, nicht in Straßenfahrzeugen.
Envision meint
Danke für die Aufstellung, ist das schon die Energiedichte des kompletten Pack ?
NMC ist ja gefährlicher/empfindlicher und hat deshalb nochmal Mehraufwand auf Packebene.
Der Abstand zu LFP ist aber dann doch gar nicht so groß, wenn man bedenkt wie viel einfacher/günstiger Natrium gegenüber Lithium zu gewinnen ist, gerade die 50kwh Variante ist im Segment der kleinen Fahrzeuge sicher gar kein Problem vom Gewicht, bringt da aber sicher da einen Riesen Fortschritt beim Preis.
Würde man alle stationären Anwendungen erstmal auf Natrium umbauen, würde das natürlich auch die Lithium Situation für mobile Anwendungen deutlich entschärfen.
EVrules meint
Die Angaben sind auf Zellebene. Aus der Studie BloombergNEF zur Folge (Bericht u.a. auf ecomento) ist die Kostenverteilung (als Analogie des Aufwandes / grober Anhaltspunkt) zw. 70-30 bzw. 80-20, mit dem Hauptkostenpunkt bei den Zellen.
Auch bei LFP oder Na-Ion benötigt man auch besten auch ein Temperaturmanagement, genauso, wie bei NMC Zellen. LFP braucht für die Leistungsfähigkeit bei kalten Temperaturen min. eine Zuheizung.
Na-Ion scheint toleranter zu sein, was tiefere Temperaturen betrifft, was die Toleranz bei höheren Temperaturen >50°C entzieht sich mir noch.
Die Energiedichte aber ist erschreckend weniger als NMC, wo LFP schon einen massereiche, wenn auch günstigere Zellchemie darstellt.
Na-Ion scheint lt. Dr. Brenner noch keine realen Kostenvorteile zu zeigen, eine Industralisierung steht noch aus.
Jeff Healey meint
Hallo EVrules,
es ist richtig, dass Na-Ionen Akkus eine deutlich geringere Energiedichte erreichen als die NMC‘s, und bisher noch keine hohen Skaleneffekte in der Produktion erreicht haben.
Das kann sich jedoch ändern.
Gerade im Kleinstwagen-Bereich, wo nicht zwingend 50 kWh, sondern zukünftig eher 20-40 kWh die Regel sein werden, könnte sich die Na-Ionen Zellchemie vor allem durch den zu erwartenden, deutlichen Kostenvorteil zu Lithium durchsetzen.
Auf der technischen Seite ist zu beachten, dass Na-Ion auch bei tiefen Temperaturen die elektrische Spannung bis weit über 12 Monate fast zu 100% hält, ganz ohne aufwändiges Temperatur-Management. Auch hohe Sommertemperaturen sollen kein Problem sein.
Zudem ist nach Aussagen von CATL die intelligente Verbindung von Na-Ion und herkömmlichen NMC in einem Akku eine Option, um die Vorteile beider Zellchemien in gewisser Weise zu kombinieren (Energiedichte, Temperatur-Unempfindlichkeit).
Da die Entwicklung der Na-Ionen Technologie gerade erst richtig Fahrt aufnimmt, ist da meines Erachtens noch einiges mehr zu erwarten, nicht nur im stationären Bereich.
M.A.i.k meint
2030 mehr muss man nicht sagen :)
nie wieder Opel meint
Wäre schön, wenn Du der Erste bist, der sich daran hält.
Swissli meint
Wer die Roadmaps von CATL, BYD und anderen verfolgt, sieht zuverlässig wohin die Reise in den nächsten 1-3 Jahren geht.
Ossisailor meint
Was auch immer damit gemeint ist, fest steht, dass einige Großkonzerne wie u.a. auch der VW-Konzern massiv in die eigene Zellen- und Pack-Fertigung einsteigen. Daher ist die Aussage, dass eine recht hohe Quote der Selbstversorgung möglich ist, doch durchaus plausibel. Die Abhängigkeit von BYD, CATL & Co. wird geringer werden. Auch Tesla will das. Wobei CATL gerade in D ein großes Batteriewerk baut.
Kasch meint
VW hat in den Bluff von Qantum Space 300 Mio in den Sand gesetzt. CATL verkauft bereits ihre neuen Shenxin LFP-Zellen, auf Wunsch samt dem gesamten Scateboard mit kompletten Antriebsstrang. Restposten an veralteten Zellen aus China werden demnächst von CATL-Deutschland in Module gepackt und an besagtem deutschen Hersteller, der eigentlich selbst noch nie eigene Entwicklungskompetenz vorweisen konnte, geliefert. Zellproduktion und Modul-/ Akkufertigung sind zwei grundlegend verschiedene Stiefel in gravierend unterschiedlicher Größe – in Einen davon wird Europa sicher nicht mehr reinwachsen
Kasch meint
Ach so, man weiß ja nicht viel: Shenxen LFP-Zelle 4C, GAC-Zelle mit Graphenanode 6C. U.A. weltrößter Ladepark mitten in Shenzen wird derzeit rasend schnell auf 600kW-Lader umgerüstet – warum ? Tja, der europäsche Laie staunt und der Fachmann wundert sich.
ShullBit meint
Nein, das CATL-Werk in Thüringen ist nicht sonderlich groß. Es liegt aktuell bei 8 GWh pro Jahr und will auf 14 GWh pro Jahr ausbauen. Das reicht für etwa 230.000 Autos pro Jahr. Zum Vergleich: Northvolt in Heide baut eine 60 GWh-Fabrik. Je nach Referenz das 4-7fache von CATL und auch größer als das, was VW in Salzgitter plant. Das ist groß.
Elon Musk hat für Grünheide mal 100, 200 und 250 GWh Batterieproduktion in den Raum gestellt. Das wäre wirklich Giga(ntisch). Aber wie immer bei Musk ist völlig unklar, wie viel Substanz das hat und was da wirklich kommt.
Kasch meint
Grünheide war und ist ja wohl riskant genug ! Als Aktionär hoffe ich sehr, dass sich Elon in der unkalkulierbaren EU nicht die Finger verbrennen lässt. Das Gewerkschafttheater in Schweden samt Umländer reicht derzeit allemal.
Klero meint
CATL könnte jetzt aber bereits bei 24 GWh sein. Manche Berichte haben ja die (theoretische, weiß nicht ob das praktisch noch relevant ist heute – es gibt das Werk in Ungarn jetzt bzw. ist in Bau) Möglichkeit von bis zu 100 GWh offen gelassen. Auch wenn gerade wohl die Kapazität sowieso nicht ausgelastet ist.
Kasch meint
Und Tesla verbaut in Grünheide seit November, vermutlich ohne Kunden darauf hinzuweisen, neben BYD-LFP auch LFP von CATL im kleinsten Model Y, um keine Lieferengpässe zu riskieren. Ohne den Kunden auf deutliche Unterschiede vor dem Kauf hinzuweisen, fände ich schon frech – die Verkaufsstrategie Teslas ist mMn schon zu aggresiv. Dass schnell mal baulich grundlegend andere Zellen alternativ verbaut werden, muss man bei europäischen Herstellern glücklicherweise nicht befürchten, da überhaupt nicht fähig dazu.
Tesla-Fan meint
Kasch das ist nicht „frech“ von Tesla.
Du kaufst ein Fahrzeug mit einer angegebenen Reichweite / Beschleunigung mit einem dazu passenden Akku.
Der detaillierte Inhalt des Batteriekasten wird nicht versprochen, genauso z.B. auch die konkrete Motor-Revision. Wozu auch? Versteht eh kein Kunde. Und die Ergüsse der Absolventen der youtube-Universität spielen keine Rolle.
Was weisst du bei anderen Herstellern was da im Batteriekasten drin ist? Die Meisten sind da noch wesentlich zugeknöpfter als Tesla.
Futureman meint
Was bringt es dem VW Batteriewerk, wenn die Batterien doppelt so teuer sind wie bei CATL. Irgendwie wiederholt sich das Spiel der PV Industrie von vor 15 Jahren. Deutschland meint der Nabel der Welt zu sein und in China bauen sie 10-100 Mal so große Fabriken. Dementsprechend können sie natürlich günstiger produzieren. Und das liegt dann nicht nur an günstigeren Personal. Skalierung ist halt alles.
Kasch meint
Westliche Hersteller müssen ihre EU-Kunden halt mit alten Tugenden bei Laune halten, damit Diese überholte Technik nicht auf die Goldwaage legen. An weltweiten Absatz europäischer BEVs sollte besser gar nicht mehr gedacht werden.
EVrules meint
Nur sind die Zellen aus der EU nicht doppelt so teuer, als jene aus China. BloombergNEF zur Folge, liegen Zellen aus der EU 20% über denen aus China, ohne das hier jedoch hochskalierte Werke schon im Betrieb wären.
Das Rennen um Zellen und Zellkosten ist noch nicht wirklich fertig – keiner bleibt beim Status Quo stehen, schon klar, aber 20% sind aufholbar und sehr weit davor weg, doppelt so viel zu kosten.