Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen hat eine Konsortialstudie zur künftigen Herstellung neuartiger Festkörperbatterien in Europa abgeschlossen. Mit Industriepartnern hatte das Forschungs-Team die zentralen Herausforderungen untersucht und Alleinstellungsmerkmale für die heimische Produktion sowie eine europäische Alternative zur kürzlich angekündigten „China All-Solid-State Battery Collaborative Innovation Platform“ (CASIP) herausgearbeitet.
„Nach jahrelanger Grundlagenforschung zu den leistungsfähigsten Festkörperelektrolyten sind die wichtigsten Materialfragen inzwischen weitgehend geklärt“, sagt PEM-Leiter Professor Achim Kampker: „Jetzt steht die Notwendigkeit innovativer Herstellungsverfahren und ihrer Skalierbarkeit im Mittelpunkt, denn bis zu 60 Prozent des aktuellen Produktionslayouts für Lithium-Batterien müssen möglicherweise in erheblichem Maße geändert werden.“
Die Entwicklung von Festkörperakkus auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie gilt auch als wichtiger Baustein für die Elektromobilität, da die Akkus sicherer sein sollen sowie theoretisch höhere Reichweiten und kürzere Ladezeiten ermöglichen.
Laut der Konsortialstudie entstehen derzeit weltweit Partnerschaften zur Kommerzialisierung von Festkörperbatterien, die jeweils eigene Ansätze verfolgen. Während man sich in Europa und den USA hauptsächlich auf Polymer- und Hybrid-Elektrolytsysteme konzentriere, würden in Asien und dort vor allem in China zunehmend sulfidbasierte Systeme erforscht.
Umsatzpotenzial 2035 bei 550 Milliarden Euro
Bis 2035 könnten Festkörperbatterien mit einer potenziellen Gesamtleistung von bis zu 1.200 Gigawattstunden bereits einen bedeutenden Anteil am globalen Batteriemarkt ausmachen, so Kampker: „Das Umsatzpotenzial liegt dann voraussichtlich bei 550 Milliarden Euro, so dass selbst ein kleiner Anteil daran sehr attraktiv ist.“ Dafür benötigten die Hersteller allerdings innovative und skalierbare Anlagentechnik.
Die Studie offenbart zahlreiche Herausforderungen in der Produktionskette. So seien neuartige Verarbeitungsmethoden zur Herstellung dünner und dichter Schichten für Festkörperelektrolyte und Lithium-Metall notwendig. Und es müsse geprüft werden, inwiefern Trockenbeschichtungsansätze aus der aktuellen Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien auch auf die Fertigung von Festkörperelektrolyten übertragbar sind.
Auch seien Wärmebehandlungsschritte vor allem für keramikbasierte Festkörperelektrolyte zu optimieren, und bei Elektrodenstapeln müsse für Grenzflächen mit geringem Widerstand für eine optimale Ionenleitung der Festkörper gesorgt werden. Darüber hinaus seien maßgeschneiderte Produktionsprozesse für neue Hybridzellenformate notwendig, die Pouch- mit prismatischen Designs kombinieren, und bipolare Zellstapel würden künftig die Zellmontage sowie die Formierungsprozesse beeinflussen.
Futureman meint
Während in Deutschland eine Forschungsstudie läuft geht es in China darum, wer seine Marktführerschaft schneller ausbaut. Erinnert ein wenig an die Solarzellenindustrie. Während hierzulande an einem „Durchbruch“ geforscht wurde, hat man an China einfach massenhaft produziert und mit jeder Erweiterung die Effektivität um ein ganz wenig angehoben. Über die Jahre kam dabei ein nicht mehr einzuholender Vorsprung heraus. Bei Batterien scheint es allerdings auch schon soweit zu sein. CATL bringt im halbjahreszeitraum erheblich verbesserte Batterien heraus und steckt immer mehr Geld in die Forschung.
Jeff Healey meint
Europa hat sich da ein Riesen Problem selbst geschaffen.
EVrules meint
Für jede, die den Sinn hinter Feststoffzellen nicht sehen, möchte ich einpaar Punkte zusammenführen:
– Wir schaffen es damit auf kleinerem Raum, mit weniger Masse gute Energiespeicherkapazitäten zu schaffen, die mit NMC, geschweige denn LFP nicht möglich wären.
– Durch kleinere, flachere Akkus, können kleinere, flachere PKW gebaut werden, was den Einsatz von Material und Energie senken kann.
– Durch besser/schneller ladbare Zellen, brauchen wir auch initial nicht allzu große Kapazitäten, wie man am Beispiel „Ur-Ioniq“ sehen konnte.
– Kleinere PKW mit guten oder sehr guten Reichweiten, steigern die Akzeptanz der eMobility, die Zellkosten sollen gemäß namhaften Forschenden wettbewerbsfähig werden. Alles eine Frage der Skaleneffekte.
– Zu guter Letzt, es muss immer das Ziel sein, den Status Quo in Frage zu stellen, um zu besseren, effizienteren Lösungen zu kommen, eine Zementierung des Bestehenden hatten wir schon zu lange (das bedeutet nicht, dass aktuelle Dinge schlecht wären).
Gernot meint
Wie wenig kann man von einem Thema verstehen?
EVRules: hier!
Wie konnten LFP-Zellen auf den Markt kommen? Die sind wegen geringerer volumetrischer und gravimetrischer Energiedichte größer und schwerer als die lange etablierten NCM- Zellen, also in Deiner simplen Denke einfach schlechter. Wie konnten die LFP-Zellen einen großen Teil der NCM-Zellen verdrängen? Wie können LFP-Zellen heute in China in der Mehrheit der neuen BEVs sitzen?
Dein Fokus auf leicht und klein ist völlig realitätsfremd. Niedrige Kosten sind vielfach wichtiger als klein und leicht. Und genau deswegen werden Festkörperzellen es schwer haben. Da mit „Zementierung des Bestehenden“ und Besitzstandswahrung zu argumentieren, zeugt von maximalem Unverständnis.
Höchstwahrscheinlich werden sich sogar Natriumzellen in den unteren Fahrzeugsegmenten durchsetzen, die in Sachen Energiedichte noch mal etwas schlechter als LFP-Zellen sind. Billig ist wichtiger als leicht und klein. Leicht und klein ist nur für Hochleistungsfahrzeuge wichtig – nicht für den Massenmarkt.
EVrules meint
Gernot – es wäre toll, wenn man auf die Argumente eingeht und Übergrifflichkeiten unterlässt.
LFP ist derzeit gefragt, weil es günstiger ist und mit potentieller bipolarer Auslegung vernünftigere Energiedichten bietet. China investiert massiv in den Billig-Trend, Na-Ion Zellen sind durch den Preisrutsch von NMC UND(!) LFP keine attraktive Technologie mehr. Dies sage nicht ich, sondern führende Forschende, wie Fichtner und andere (s.a. geladen-Podcast).
Der Trend mit LFP geht aber in mobilen Anwendungen aber nicht auf, wenn eben zukünftig bessere Energiedichten zu vergleichbaren Kosten absehbar werden.
Informiere dich bitte über die Erkenntnisse aus Forschung und Entwicklung.
Ein großes Auto wird zudem stets teurer verkauft werden, als ein kleineres Pendant, da besteht keine Logik hinter der Aussage „billig anstelle von leicht und klein“.
Mäx meint
Ich probiere es nochmal:
Wie viel kostet ein Akkupack mit 50kWh zu 90USD/kWh?
Wie teuer wird das Fahrzeug verkauft?
Wie viel kostet ein Akkupack mit 100kWh zu 45USD/kWh?
Wie teuer wird das Fahrzeug wohl verkauft werden?
banquo meint
Millionen zufriedene E-Auto-Fahrer in diesem Land wissen wie gut sie sich auf ihre bewährte Technik die es schon seit Jahren gibt verlassen können. Diese Technik ist auch für die Zukunft gut egal ob NMC oder LFP gewählt wird.
EVrules meint
Tendenziell richtig, dass auch heute schon gute Autos bestehen. Wir dürfen uns aber auch nicht zu bequem machen, zu sagen „Mehr wie heute muss nicht!“. Das geht argumentativ in eine ähnliche Richtung wie „Mein Verbrenner taugt auch noch in 20 Jahren!“.
Wenn wir durch höhere Energiedichten, leichtere Akkus, mit weniger Material- und Energieeinsatz, zu gleichen oder günstigeren Kosten, die eMobility weiterbringen können, dann sollten wir das auch tun.
Immer nach dem Motto „Das Bessere ist des Guten Feind“ – daher sollten wir sehr motiviert für Einsparung an Energie, Material und Gewicht sein.
Gernot meint
Ich halte die Festkörperbatterie zunehmend für einen nicht zu rechtfertigenden Hype. Zunächst mal ist die pauschale Aussage falsch, dass Festkörperbatterien mehr Reichweite ermöglichen. Sie ermöglichen mehr Reichweite bei gleichem Gewicht wie NCM oder LFP. In China bauen sie schon heute LFP-Batterien mit 120 kWh und mehr ein und auch bei LFP gibt es noch Fortschritt, wird die gravimetrische Energiedichte immer weiter gesteigert. Es ist auch bei Festkörperzellen nicht zu erwarten, dass dann 200 kWh in einen Golf gebaut werden. Das ergibt einfach keinen Sinn.
Durch Rekuperation und andere Effekte ist die „Strafe“ für Mehrgewicht in Form von Mehrverbrauch bei BEV relativ gering. Wenn ein BEV mit n kWh LFP-Pack dann 250 kg schwerer ist als ein Auto mit n kWh Festkörperzellen und aufgrund des Mehrgewichtes 1 kWh je 100 km mehr verbraucht, dann ergibt das pro Jahr 40 Euro Mehrverbrauch. Welcher Kunde wird dann bereit sein, paar tausend Euro mehr zu bezahlen, damit er Festkörperzellen bekommt? Auch LFP und Sodium neigen nicht zum thermischen Durchgehen und beide bieten eine höhere Zyklenfestigkeit als Festkörperzellen.
Am Ende dürften sich Festkörperzellen vor allem auf Hochleistungsfahrzeuge beschränken. Ansonsten sind Kosten/kWh der wichtigste Parameter und da werden Festkörperzellen wahrscheinlich auch in 10 Jahren teurer als LFP und Sodium sein. Für den gigantischen Bedarf, den es bei stationären Batterien geben wird, sind Festkörperzellen auch nicht relevant. Gewicht ist da sekundär. Zyklenfestigkeit punktet.
EVrules meint
LFP wird nie die Energiedichte von NMC oder gescheige denn SSB (Solid-State-Battery) herankommen.
D.h. Vorteile auf kleinerem Raum bessere Reichweiten und Gewichtseinsparungen umzusetzen, bestehen einfach nicht, wobei hierdurch die Akkupacks flacher werden können, die Autos ebenso flacher und leichter werden, wodurch der aerodynamische Widerstand und Rollwinderstand verbessert werden können, nebst dem Material- und Energieeinsatz der Zellproduktion.
Ich wünschte mir sehr, dass man etwas systemischer denken würde und weniger in Besitzstandswahrung verfiele.
Gernot meint
Ich wünschte mir sehr, dass Mit-Kommentatoren ein Mindestmaß an logischem und rationalem Denkvermögen besitzen würden. Das ist leider nicht gegeben. Es macht mich fassungslos, auf welchem intellektuellen Niveau hier einige argumentieren wollen.
Wenn Du recht hättest, dass kleiner, flacher, leichter per se besser ist, wie konnten dann LFP-Zellen überhaupt auf den Markt kommen und sich breit durchsetzen? LFP-Zellen waren vom Start weg bei der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte immer deutlich schlechter als die lange etablierten NCM-Zellen. Sie waren also größer und schwerer, als das, was schon an Technik hatte.
In China sitzt in der Mehrheit der EV eine LFP-Batterie? Wie kann das sein? Kleiner und leichter ist per se kein Vorteil. Niedrige kosten sind ein Vorteil Und genau die gleiche Konstellation gilt auch für Festkörperzellen. Das sage nicht ich. Das sagt der Markt.
Und dann kommen Begriffe wie „Besitzstandswahrung“. Meine Güte.
Jeff Healey meint
Natürlich wieder 10 Jahre hinter China.
Während in Europa noch die Planung läuft, geht die Solid State Batterie in China in die Großserienproduktion.
Ich habe meine Zweifel, ob Europa jemals den Anschluss schaffen wird. Es wurde einfach zu viel Zeit verspielt.
MrBlueEyes meint
In welchen Modellen? Kapazität? Ladegeschwindigkeit?
Mäx meint
Aktuell vielfach vor allem Semi Solid State und nicht in großen Menge wenn überhaupt schon und teuer.
Nio und IM L6 sind Beispiele für Semi SSB.
SAIC will 2026 Full Solid State mit (Zelle mit 75Ah, 400Wh/kg, 820Wh/L) in Masse produzieren (nicht weiter spezifiziert in GWh/Jahr).
Chery plant ähnliches und GAC in teureren Fahrzeugen in 2026.
Mal schauen wie das so klappt.
Future meint
Ob Northvolt da auch schon dran ist?
Und was ist mit PowerCo?
2025 wird so spannend.
KdFQ meint
Sagunt werden aktuell die Säulen gesetzt.
Mäx meint
PowerCo ist ja mit Quantumscape in Partnerschaft für die Entwicklung von Solid State Batterien.
Da gibts auch B-Sample Zellen mit 21,6Wh, 844Wh/L, 301Wh/kg.
Lanzu meint
Das CASIP ist eher Ausdruck davon, dass die chinesischen Hersteller den Konkurrenzkampf annehmen und sich deswegen zusammenschließen. Was es bislang als Semi-Solid-State gibt, ist noch ziemlich herkömmlich gefertigt und (noch) teuer und entsprechend Nische.
David meint
Darf man mal fragen, bei welchem Hersteller die Großserienproduktion von Solid State in China läuft und in welche Autos diese Zellen gehen? Macht das denn wirklich Sinn, Deutschland kaputt zu schreiben, während man von nichts ne Ahnung hat?
KdFQ meint
Ja, darf man. Du stellst Fragen wie die Kleinen im Kindergarten.
B.Care meint
David, das gehört doch untrennbar zusammen: Nur Ahnungslose, oder Ignoranten schreiben Deutschland kaputt. Aber solche Zeitgenossen haben sowieso noch nie etwas positives für unser Land beigetragen.
Jeff Healey meint
Hallo B.Care,
als Mittelständler mit einigen langjährigen Mitarbeitern, trage wir täglich zum positiven Gedeihen unseres Landes bei.
Man muss jedoch sagen dürfen, wenn technische Disruptiion über Jahrzehnte hinweg verdrängt, aktiv beukottiert und willfährig verschlafen wurde.
Alles andere ist einer freien Diskussion nicht würdig.
Future meint
Weder Northvolt noch VW haben bisher skaliert. Das ist ein Drama. Wenn Sagunt auch nicht klappen sollte, ist es eine Tragödie. Wir drücken VW mal fest die Daumen und gucken uns das weiter an.
Fred Feuerstein meint
Bislang hat nicht einmal Salzgitter skaliert…