SILIZIUM ODER LITHIUM? ZUKUNFT DER AKKUTECHNOLOGIE IN ELEKTROAUTOS

01.01.2024
GREENTALKS

Tauche ein in die faszinierende Welt der Batterietechnologie! Lerne aktuellste Innovationen und Erfolge in der Forschung kennen und wie sie Elektromobilität revolutionieren.

Ein Kernstück der eMobilitätstransformation ist die fortschreitende Innovation in der Akkutechnologie. Mit der steigenden Popularität von Elektroautos wächst auch das Bedürfnis nach leistungsfähigeren, langlebigeren und umweltfreundlicheren Batterielösungen. In diesem Kontext spielen neue Entwicklungen in der Akkutechnologie eine entscheidende Rolle, da sie nicht nur die Reichweite und Leistungsfähigkeit von eFahrzeugen verbessern, sondern auch eine Schlüsselrolle in der Reduzierung von CO2-Emissionen und der Förderung einer nachhaltigeren Mobilität spielen.

Die aktuelle Forschung bietet vielversprechende Einblicke in die Zukunft der Akkutechnologie. Einige der größten Herausforderungen der Elektromobilität sollen überwunden werden: die Erhöhung der Energiedichte, die Verbesserung der Ladezeiten und die Verlängerung der Lebensdauer der Batterien. Diese Erfolge in der Forschung könnten nicht nur die Art und Weise verändern, wie wir über eAutos denken, sondern auch die globale Landschaft der Mobilität tiefgreifend beeinflussen.

In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf die spannendsten Entwicklungen in der Akkutechnologie, die das Potenzial haben, die Effizienz, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von eAutos signifikant zu verbessern.

Kurz & Knapp:

  • Aluminium-Ionen-Akkus bieten Sicherheit und Kosteneffizienz.
  • StoreDots Siliziumbasierte XFC-Akkus revolutionieren das schnelle Laden.
  • CATLs Cell-to-Pack-Konzept spart Platz und ermöglicht schnelles Laden.
  • Quantumscape-Batterien versprechen über 1.000 Ladezyklen.
  • Lithium-Ionen-Batterien bleiben relevant, da sie zuverlässig und massentauglich sind.

ALUMINIUM-IONEN-AKKUS: DIE REVOLUTION?

Die erste Akkuinnovation kommt aus Deutschland. Die Zukunft der Batterietechnologie in Elektroautos könnte sich dank der Forschung des Fraunhofer THM und anderer Institutionen erheblich verändern. Das Fraunhofer THM arbeitet an der Entwicklung von Aluminium-Ionen-Akkus (AIB), die als eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien gelten. Diese Technologie zeichnet sich durch eine hohe Sicherheit aus, da keine Brandgefahr besteht, und ermöglicht über 10.000 Ladezyklen mit mehr als 90 % Ladeeffizienz.

Einer der größten Vorteile von AIBs ist ihre kostengünstige Herstellung, die durch die Verwendung von normaler Aluminiumfolie und preiswerten Elektrolyten, die auf Harnstoff basieren, ermöglicht wird. Aluminium ist zudem das am häufigsten in der Erdkruste vorkommende Metall und lässt sich leicht recyceln, was es zu einer umweltfreundlicheren Option macht. Aluminium bietet den Vorteil, dass es viel Energie auf kleinem Raum speichern kann, sogar mehr als Lithium, das bisher häufig in Batterien verwendet wird. Zudem hat es eine Eigenschaft, die verhindert, dass sich im Inneren der Batterie kleine, stachelige Strukturen bilden, sogenannte Dendriten. Diese können zu Kurzschlüssen führen. Somit sind Batterien mit Aluminium auch sicherer.

Das Verbundvorhaben INNOBATT, das von einem Konsortium aus Wissenschaft und Industrie getragen wird, zielt darauf ab, ein intelligentes elektrisches Speichersystem zu entwickeln, das auf der Zellchemie der Aluminium-Ionen-Batterie basiert. Dieses System setzt auf ein revolutionäres Moduldesign und ein neuartiges Batteriemanagementsystem. Dabei wird eine besondere Art von sehr empfindlichen Sensoren verwendet, die auf Quantentechnologie basieren. Diese Sensoren können die Funktionsweise der Batteriezellen genauer überwachen. So werden die Batterien sicherer und effizienter, weil sie genau zeigen, wie die Batterie arbeitet und wann eventuell Probleme auftreten könnten.

Die Forschung an AIBs steht jedoch noch am Anfang und es gibt Herausforderungen, insbesondere bei der Entwicklung geeigneter positiver Elektrodenmaterialien. Die aktuellen Forschungsergebnisse zeigen aber ein großes Potenzial für die Verwendung von AIBs als Energiespeicher der nächsten Generation, vor allem im Hinblick auf Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz. Sie könnten in naher Zukunft eine realistische Anwendung in Bereichen wie hochdynamischen Netzspeichern in stationären Systemen finden.

Das sind im Grunde große Batterien, die an einem festen Ort installiert sind, um elektrische Energie zu speichern. Sie sind besonders wichtig, um das Stromnetz stabil zu halten, indem sie schnell auf Änderungen im Strombedarf reagieren können.

Diese Art von Stromspeichern ist besonders nützlich, um Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wind oder Sonne zu speichern, wenn viel Strom erzeugt wird, und sie dann bei Bedarf wieder abzugeben. Solche Systeme benötigen Batterien, die sowohl preiswert als auch sehr leistungsfähig sind, um große Mengen an Energie effizient speichern und wieder freisetzen zu können.

STOREDOT: SCHNELLES LADEN MIT SILIZIUM

Von Deutschland geht es in den Nahen Osten. Das israelische Unternehmen StoreDot befindet sich an der Spitze der Entwicklung von extrem schnell ladenden Silizium-Akkus, den sogenannten XFC-Akkus.

Diese neuartigen Akkus zeichnen sich dadurch aus, dass sie innerhalb von nur fünf Minuten Ladezeit eine Reichweite von 100 Meilen (ca. 160 Kilometer) ermöglichen. Das ist ein großer Fortschritt gegenüber den herkömmlichen Ladezeiten. StoreDot hat für das Jahr 2024 die Massenproduktion dieser Zellen geplant. Die Technologie wurde bereits von über 15 weltweit führenden Automobilherstellern in realen Bedingungen getestet und hat herausragende Leistung gezeigt​​​​.

Die XFC-Technologie von StoreDot könnte eAutos grundlegend verändern. Zum Beispiel könnte die Verkleinerung von Batteriepaketen in Premiumfahrzeugen von durchschnittlich 80 kWh auf 50 kWh zu einer Gewichtsreduzierung von etwa 200 kg führen und die Herstellungskosten eines Autos um bis zu 4.500 US-Dollar senken. Diese Veränderungen würden ebenfalls die Kosteneffizienz verbessern und die Umweltauswirkungen verringern, indem sie den Bedarf an Rohstoffen und den Kohlenstoff-Fußabdruck von Elektrofahrzeugen reduzieren​​​​.

CELL-TO-PACK VON CATL

Das chinesische Unternehmen CATL, ein führender Batteriehersteller für Elektrofahrzeuge weltweit, hat mit der Entwicklung seiner dritten Generation der Cell-to-Pack-Technologie (CtP) erhebliche Fortschritte erzielt.

Die neue Architektur, bekannt als „Qilin“, basiert auf einem kompakten Paketdesign und ermöglicht eine effizientere Raumnutzung in Elektroautos und optimierte Temperaturregulierung.

Die Qilin-Batteriezellen von CATL heben sich durch ihre hohe Energiedichte und ihr effizientes Volumennutzungsverhältnis von 72 % hervor. Diese Bauweise ermöglicht schnellere Ladezeiten: CATL verspricht, dass die Batterien innerhalb von zehn Minuten von 10 % auf 80 % SoC (State of Charge) geladen werden können. Darüber hinaus weisen die Batteriezellen eine Energiekapazität von bis zu 255 Wh/kg auf. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Batterietechnologie dar und könnte die Reichweite von Elektroautos erheblich verlängern.

Ein Schlüsselaspekt der CtP-Technologie ist die innovative Flüssigkeitskühlung, die zwischen den benachbarten Batteriezellen platziert wird. Dieses Kühlungssystem erhöht die Wärmeübertragungsfläche um das Vierfache, was eine schnelle Kühlung der Zellen unter extremen Bedingungen ermöglicht und gleichzeitig die Wärmeleitung zwischen den Zellen minimiert. Diese verbesserte Kühlung erhöht nicht nur die Sicherheit der Batterie, sondern unterstützt auch das schnelle Laden.

Das Tolle an dieser Technologie? Sie ist nicht mehr nur Theorie und Forschung, sondern wird bereits eingesetzt. Die ersten Fahrzeuge, die von CATLs neuer Qilin-Batterie angetrieben werden, sind die Zeekr 009 Elektro-Vans.

QUANTUMSCAPE: FESTSTOFF-BATTERIEZELLEN

Das Unternehmen QuantumScape hat sich auf die Entwicklung von Feststoff-Batteriezellen spezialisiert. Im Jahr 2022 hat QuantumScape bereits erste Prototypen seiner Feststoff-Zellen mit 24 Schichten an Automobilhersteller zum Testen ausgeliefert. Diese Zellen bieten eine Energiedichte von über 800 Wattstunden pro Liter. In etwa 15 Minuten können sie von 10 auf 80 % geladen werden.

Ein besonderer Fokus liegt auf einer neuen Kathodenentwicklung, die mehr aktives Kathodenmaterial auf gleicher Fläche ermöglicht. Das Unternehmen berichtet, dass das neue Material eine Ladung von 5 mAh pro Quadratzentimeter erlaubt, was eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu vorherigen Kathoden und aktuellen kommerziellen Zellen wie der 2170-Batteriezelle darstellt.

Diese Entwicklungen sind wichtige Schritte hin zu einem kommerziellen Produkt, wobei QuantumScape betont, dass noch technische und produktionsbedingte Herausforderungen gemeistert werden müssen.

QuantumScape hat auch eine Zusammenarbeit mit einem potenziellen Partner für die Markteinführung bekannt gegeben, wobei der Name des Partners noch offenbleibt. Es wird spekuliert, dass es sich um den deutschen Traditionsbauer Volkswagen handeln könnte, einen Anteilseigner von QuantumScape, der bereits Prototypen-Zellen erhalten hat.

Es ist interessant zu bemerken, dass die Zellen in Tests über 1.000 Ladezyklen erreicht haben, was ein außergewöhnliches Ergebnis ist. Trotzdem stellt die Produktion dieser Zellen in großen Mengen mit hoher Qualität und Zuverlässigkeit eine bedeutende Herausforderung dar.

LITHIUM-IONEN-AKKUS: IMMER NOCH RELEVANT

Zum Schluss müssen wir noch mal zum Klassiker unter den eAuto-Akkus reden. Denn trotz all dieser Innovationen sind Lithium-Ionen-Batterien weiterhin von Bedeutung.

Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien ist weiterhin stark. Im Jahr 2022 stieg die Nachfrage nach Automobil-Lithium-Ionen-Batterien um etwa 65 % auf 550 GWh, was hauptsächlich auf das Wachstum im Bereich der Elektro-Pkw zurückzuführen ist. In China wuchs die Batterienachfrage für Fahrzeuge um über 70 %​​.

Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wird in Gigawattstunden gemessen, weil diese Einheit die Menge an elektrischer Energie beschreibt, die diese Batterien speichern können. Ein Anstieg der Nachfrage nach Automobil-Lithium-Ionen-Batterien um 65 % auf 550 GWh bedeutet, dass deutlich mehr Batterien mit einer höheren Gesamtspeicherkapazität produziert und verwendet wurden. Dieses Wachstum spiegelt das steigende Interesse und die zunehmende Akzeptanz von Elektro-Pkw wider, die eine hohe Batteriekapazität für längere Fahrstrecken benötigen.

Die aktuell dominierende Rolle der Lithium-Ionen-Batterietechnologie zeigt sich auch darin, dass 98 % der im Jahr 2022 in Deutschland installierten Heimspeichersysteme Lithium-Systeme waren. Besonders im Trend sind dabei Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP), deren Anteil sich innerhalb von fünf Jahren auf fast 70 % verdoppelt hat​​.

Um die Leistung dieser Batterien weiter zu optimieren, konzentriert sich die Industrie auf die Entwicklung von Hoch-Nickel-Kathoden, Silizium-Anoden und neuen Zell- und Packdesigns. Diese Fortschritte zielen darauf ab, die Energiedichte und Schnellladefähigkeit zu verbessern. Einige High-End-Fahrzeuge könnten Laderaten von bis zu 4C erreichen, was Ladezeiten von nur 10 bis 20 Minuten bedeutet. Die 800-Volt-Technologie bietet zudem einen neuen Weg zur Verbesserung der Batterieleistung​​.

Die Kosten für Batteriepacks sollen unter 100 EUR/kWh gesenkt werden, was eine Reduzierung um 30 bis 50 %im Vergleich zu den heutigen Kosten bedeuten könnte. Hierbei spielt auch die Nutzung von cobalt- und nickelfreien Materialien sowie die Standardisierung von Zellen und deren Direktintegration ins Batteriepack eine Rolle​​.

Insgesamt zeigen diese Entwicklungen, dass Lithium-Ionen-Batterien weiterhin eine entscheidende Rolle in der Energiewende und Elektromobilität spielen werden. Ihre anhaltende Relevanz wird durch die steigende Nachfrage, kontinuierliche Innovationen und Verbesserungen in der Technologie unterstrichen.

ZUSAMMENFASSUNG

Lithium-Ionen-Batterien behalten trotz neuer Innovationen ihre zentrale Rolle in der Elektromobilität und Energieversorgung bei, hauptsächlich aufgrund ihrer hohen Energiedichte, Zuverlässigkeit und Marktdurchdringung. Neue Technologien wie Feststoffbatterien und Lithium-Metall-Batterien bieten zwar Potenziale für weitere Verbesserungen in Sachen Sicherheit, Leistung und Umweltverträglichkeit, müssen sich aber noch in der Praxis bewähren und auf Massenmarkttauglichkeit getestet werden.

Die Industrie konzentriert sich verstärkt auf die Optimierung von Leistung und Schnellladefähigkeit, die Senkung der Batteriekosten und die Förderung der Nachhaltigkeit in der Produktion. Innovative Ansätze wie Hoch-Nickel-Kathoden, Silizium-Anoden und neue Zell- und Packdesigns tragen zur Steigerung der Energiedichte und Effizienz bei, während gleichzeitig die Kosten reduziert werden sollen.

Zugleich sind die Themen Nachhaltigkeit und Recycling von Batterien zunehmend im Fokus. Die Branche bemüht sich um weniger abhängige und nachhaltigere Rohstoffquellen und optimiert ihre Fertigungsprozesse, um die Umweltbelastung zu minimieren.

Artikel verfasst von Moritz Kopp, Geschäftsführer von Teslabs

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