Deep-Dive: Batterie­technologie

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Es wird immer deutlicher: Im Automobilbereich wird der Antrieb der Zukunft batteriebetrieben sein. Auf die Treiber dieser Entwicklung sind wir bereits im Deep Dive Artikel zum Thema Elektrifizierung des Mobilitätssektors eingegangen. Die Prognosen für das Wachstum auf dem Batteriemarkt bestätigen diese Einschätzung. Die Nachfrage nach Batteriespeicher wächst vor allem im Bereich der Elektromobilität enorm.

Diagramm: Nachfrage nach Lithium-Ionen Batterien

Bloomberg prognostiziert für 2030 eine Nachfrage von 9,3 TWh an Lithium-Ionen-Batterien. IHS Markit rechnet für den gleichen Zeitraum damit, dass 8,6 TWh Batteriespeicher allein im Automobil- und Transportsektor benötigt werden. Zum Vergleich: Der Bereich Portable Electronics soll laut IHS nur auf 604 GWh an benötigter Kapazität kommen.

Unserer Auffassung nach ist der Bedarf für den Mobilitätssektor sogar noch konservativ bemessen und lässt eine mögliche Marktpenetration von neuen, batteriebetriebenen Mobilitätsformen wie dem Flugtaxi außer acht.

Auch an der Börse zeigt sich der steigende Trend zu Energiespeichern. In den vergangenen Monaten und Jahren waren bei Batterieherstellern steile Kursanstiege zu beobachten, vor allem bei Herstellern im Automobilbereich wie dem südkoreanischen Chemieunternehmen LG Chem, dem chinesischen Batteriehersteller Contemporary Amperex Technology (CATL) oder auch dem deutschen Batteriehersteller Varta, der sich durch eine Entwicklungs­partnerschaft mit Volkswagen stärker im Mobilitätssektor aufstellen möchte.

Die Geschichte der Lithium-Ionen-Batterie

Die erste elektromechanische Batterie aus gestapelten Kupfer- und Zinkscheiben wurde im Jahr 1800 vom Physiker Alessandro Volta erfunden. Seither wurde die Batterie für verschiedene Anwendungsgebiete stets weiterentwickelt. 1980 entwickelte John Goodenough die erste Lithiumbatterie mit einer Kathode aus Kobaltoxid. Diese Technologie ermöglichte die Aufnahme von Lithium-Ionen und somit eine höhere Spannung. In den 1990er-Jahren wurde die erste Lithium-Ionen-Batterie in der Videokamera CCD TR1 von Sony auf den Markt gebracht. Diese erste Lithium-Ionen-Batterie setzte somit den Grundstein für Anwendungen in verschiedensten Bereichen des alltäglichen Lebens, von tragbarer Elektronik hin zu E-Mobilität und stationären Energiespeichern. Im Jahr 2019 wurde John Goodenough für seine Erfindung mit dem Nobelpreis in Chemie ausgezeichnet.

Trotz ihrer langen Entstehungsgeschichte ist die Batterietechnologie noch immer nicht vollständig ausgereift. Auch heute noch lassen neue, vielversprechende Forschungen an Batterietechnologien auf große Entwicklungssprünge hoffen. Ausgelöst durch den immer schneller wachsenden Markt für Elektromobilität findet eine sehr spannende Technologie-Debatte statt und zahlreiche F&E-Teams weltweit bemühen sich, mit bahnbrechenden Innovationen die Performance von Batterien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zu verbessern.

Bereits im Jahr 2008 stellte Tesla mit dem Tesla Roadster das erste vollelektrische Fahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie vor. Bis heute ist dieser Batterietyp die Kerntechnologie für batteriebetriebene Fahrzeuge und hat sich auch bei Autobauern wie Volkswagen, Mercedes oder Renault durchgesetzt.

Einfluss der Batterietechnologie auf den Markt der E-Mobilität

Die Batterie macht derzeit bis zu 50 Prozent der Gesamtkosten eines Elektrofahrzeuges aus und ist somit die teuerste verbaute Komponente. In einer TÜV-Studie aus dem Jahr 2020 gaben die Befragten die hohen Anschaffungskosten eines Elektrofahrzeuges als wichtigsten Grund gegen ein E-Auto an. Der Erfolg von E-Autoherstellern hängt demnach maßgeblich von den Kosten der verbauten Batterien und somit von den Fortschritten in der Batterietechnologie ab. Um die langfristige Entwicklung der verschiedenen Player einschätzen zu können, ist es daher wichtig, die Batterietechnologie von Grund auf zu verstehen.

Neben den Anschaffungskosten ist die vermeintlich zu geringe Reichweite für 47 Prozent der Konsumenten ein Problem. Modelle, wie der Mercedes EQS, das Tesla Model S oder der Rimac Nevera zeigen zwar, dass auch höhere Reichweiten möglich sind – bislang allerdings nur im hochpreisigen Segment. Derzeit werden hohe Reichweiten sehr häufig noch durch große, schwere und teure Batterien erreicht, da die Energiedichte noch nicht optimal ist.

Dabei gibt es einige Stellschrauben, um die derzeitige Li-Ionen-Batterie leistungsstärker und energiereicher zu machen. Da die Materialkosten den Großteil der Gesamtkosten einer Batterie ausmachen, steht sowohl aus der Kostenperspektive als auch aus der Leistungsperspektive die Materialforschung im Fokus.

Da die Batterietechnologie entscheidend für den Erfolg der aktuell konkurrierenden Player im Markt der E-Mobilität sein wird, steigen wir im Folgenden tiefer in den Aufbau der Lithium-Ionen-Batterie ein und stellen unsere Hypothesen zu den aktuellen Entwicklungen in der Batterieforschung vor.

Grundlegender Aufbau einer Li-Ionen Batterie

Aufbau einer Lithium-Ionen Batterie

Eine Batteriezelle besteht grundsätzlich aus zwei leitfähigen Schichten aus Aluminium beziehungsweise Kupfer sowie zwei unterschiedlich geladenen Elektroden. Ebenfalls Kernbestandteile der Batterietechnologie sind ein Elektrolyt und ein Separator.

Aufgabe der Anode ist es, die Elektronen für den elektrischen Strom im äußeren Stromkreis der Batterie bereitzustellen. Sie besteht in der Regel aus Graphit. Die Anode ist negativ geladen, während des Ladevorgangs können positiv geladene Lithium-Ionen eingelagert und wieder abgegeben werden. Die Anode ist eine entscheidende Schlüsseltechnologie für die Optimierung der Speicherkapazität, über sie können die volumen- und die massebezogene Energiedichte signifikant verbessert werden.

Die Kathode absorbiert die Elektronen, die von der Anode stammen und durch den äußeren Stromkreis fließen. Die Kathode ist positiv geladen und besteht in der Regel aus einer geschichteten Lithiumverbindung wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) oder dem in der Automobilindustrie häufiger verwendeten Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNiMnCoO2). Derzeit macht die Kathode etwa 44 Prozent der Materialkosten einer Batterie aus und ist somit die teuerste Komponente der Batteriezelle.

Beide Elektroden werden durch einen Separator elektrisch voneinander getrennt. Der Separator ist nur für Ionen durchlässig, also für elektrisch geladene Atome oder Moleküle. Bei der Lithium-Batterie sind dies Li-Ionen. Diese Tatsache spielt beim Laden und Entladen einer Batterie eine wichtige Rolle.

Aufgabe der beiden unterschiedlich geladenen Elektroden ist es, einen Elektronenfluss zu erzeugen. Beim Laden einer Batterie wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch den Ionen leitenden Elektrolyt von der Kathode zur Anode, während der Ladestrom die Elektronen über den äußeren Stromkreis liefert. Der Elektrolyt besteht bei Li-Ionen-Batterien typischerweise aus Lithiumsalzen wie LiPF6 in einem organischen Lösungsmittel, zum Beispiel Ethylencarbonat oder Dimethylcarbonat.

Mittelfristig ist die Verbesserung der bestehenden Li-Ionen-Batterie die vielversprechendste Strategie in der Batterieforschung im Automobilbereich.
Hypothese 1

Obwohl einige Forscherteams bereits spannende, neuartige Technologien wie die Feststoffbatterie oder die Lithium-Luft-Batterie untersuchen, glauben wir, dass sich die klassische Lithium-Ionen-Batterie zumindest mittelfristig durchsetzen wird – sowohl aus technologischer als auch aus kosten- und produktionstechnischer Sicht.

Im Grunde bringt sie viele Vorteile mit sich: Lithium gibt einfach Elektronen ab und ist das Alkalimetall mit dem geringsten Gewicht. Im Periodensystem steht es nach Wasserstoff und Helium an dritter Stelle, es ist somit das leichteste Element, das bei Normalbedingungen als Feststoff vorliegt. So lässt sich eine höhere gravimetrische und volumetrische Energiedichte erzielen als mit anderen Alkalimetallen, dies ist ein entscheidender Faktor bei der Batterietechnologie, besonders im Hinblick auf die Anwendungen in der E-Mobilität.

Lithium ist kein sehr knapper Rohstoff. Insgesamt macht es 0,006 Prozent der Erdkruste aus. Das klingt nach wenig, liegt jedoch über den Vorkommen von häufig verwendeten Metallen wie Zinn oder Blei. Allerdings ist bislang der Abbau von Lithium, etwa aus Salzseen, noch sehr aufwendig und dringend zu optimieren. Einige Unternehmen, darunter auch Vulcan Energy Resources, forschen an interessanten und neuartigen Ansätzen zum Lithium-Abbau, unter anderem auch lokal in Deutschland, die wir aufmerksam verfolgen.

Zudem wird Batterierecycling zukünftig eine immer größere Rolle spielen und einen weiteren Zugang zu Rohstoffen ermöglichen. Nach zehn Jahren Batterienutzung lassen sich oft noch mindestens 80 Prozent der Batterie wiederverwerten. Nach Berechnungen von Roland Berger könnte das im Jahr 2030 bereits 250.000 Tonnen an Rohstoffen für den Batteriemarkt ergeben.

Hinzu kommt, dass Lithium als Rohstoff nur einen kleinen Teil der Batteriematerialien ausmacht. Die Batterie im Tesla Model S wiegt rund 600kg, davon gehen nur 1,67 Prozent, etwa 10kg, auf das Lithium zurück.

All diese Faktoren stützen uns in der Annahme, dass Lithium für eine Elektrobatterie weiterhin ein sinnvoller Bestandteil ist. Dennoch sehen wir speziell auf der Anoden- und Kathoden-Seite einige sehr spannende Hebel, die die derzeitige Leistung von Batterien verbessern können.

Auf der Anodenseite könnte Silizium die Performance einer Li-Ionen-Batterie verbessern.
Hypothese 2

Viele Batteriehersteller verwenden derzeit Graphit als Anodenmaterial. Eine Graphit-Anode braucht sechs Kohlenstoffatome, um ein Lithium-Ion zu binden, was eine theoretische maximale Ladungsdichte von 372 mAh/g ergibt. Um die Anoden-Performance zu verbessern, wäre Silizium eine spannende Alternative, da es mehr Lithium mit weniger Atomen binden kann: Ein Siliziumatom kann 4,4 Lithium-Ionen binden. Die bessere Bindefähigkeit führt zu einer elffachen Verbesserung der Ladungsdichte mit einem theoretischen Maximum von 4200 mAh/g. Mit anderen Worten: Deutlich weniger Silizium ermöglicht die gleiche Batteriekapazität. Das könnte Ressourcen einsparen und die Lieferketten entlasten.

Zudem ist der Rohstoff Silizium häufig vorhanden und somit günstig. Er macht nach Masse 28,2 Prozent der Erdkruste aus. 2020 wurden 8 Millionen Tonnen Silizium produziert.

Trotz dieser positiven Eigenschaften gibt es einen Grund dafür, dass Silizium bisher noch nicht in vielen Batterien verbaut ist: Wenn eine Silizium-Anode beim Aufladen einer Batterie 4,4 Lithium-Ionen aufnimmt, dehnt sie sich um 400 Prozent aus. Diese Ausdehnung erzeugt Stress in der Batterie und beschädigt längerfristig die Anode. Für dieses Problem gilt es noch eine Lösung zu finden, um Silizium effizient in der Anode nutzen zu können. Einige Unternehmen arbeiten derzeit bereits daran, dieses Problem zu beheben. Es gibt beispielsweise erste Ansätze, Silizium mit Nanostrukturen innerhalb von Graphit einzubetten und somit einer Ausdehnung entgegenzuwirken. Langfristiges Ziel ist es jedoch irgendwann mit reinem Silizium zu arbeiten.

Weitere Forschungen in diesem Bereich dürften sich für die Batteriehersteller und Elektroautobauer jedenfalls lohnen. Beim Battery Day hat Tesla verkündet, dass es langfristig durch die Nutzung von Silizium eine Verbesserung der Reichweite von 20 Prozent erwartet.

Die Erhöhung des Nickelanteils in der Kathode kann die Gesamt-Performance verbessern und zur Nachhaltigkeit von Li-Ionen-Batterien beitragen.
Hypothese 3

Bei elektrobetriebenen PKWs sind aktuell vorrangig zwei Arten von Lithium-Ionen-Batterien im Einsatz, die sich im Aufbau ihrer Kathoden unterscheiden: die Nickel-Kobalt-Aluminium-Batterie (NCA) und die Nickel-Kobalt-Mangan-Batterie (NCM).

Das Problem der derzeit verwendeten NCM-Batterien ist die Menge der teuren und unter ethisch fragwürdigen Bedingungen abgebauten Rohstoffe wie Kobalt. Ein vielversprechender Ansatz sind daher nickelreiche Kathoden. Sie können die Performance durch hohe Energiedichten und große Spannungsfenster verbessern und gleichzeitig umweltschädliche Rohstoffe wie Kobalt eliminieren. In einer herkömmlichen NCM111-Batterie enthält die Kathode 11 Kilogramm Mangan, jeweils 12 Kilogramm Kobalt und Nickel sowie 4,5 Kilogramm Lithium. Die Zahl 111 beschreibt das Verhältnis von Nickel, Kobalt und Mangan zueinander.

Batteriehersteller arbeiten verstärkt daran an der Kathode, Kobalt durch Nickel zu ersetzen, was bereits zu einer Weiterentwicklung von NCM111 zu NCM523-, NCM622- und NCM811-Batterien geführt hat. Bis 2030 könnte sich die Entwicklung bis zur NCM955-Batterie fortsetzen, das wären dann 90 Prozent Nickel, 5 Prozent Kobalt, 5 Prozent Mangan. Auch Tesla forscht an neuen Beschichtungsmethoden für Nickel mit dem Ziel, den Nickelanteil in den Batterien zu maximieren und Kobalt zu eliminieren. Dadurch erhofft sich das Unternehmen perspektivisch, den Gesamtpreis der Batterie um 12 Prozent zu reduzieren.

Einige Autobauer setzen auch auf kostengünstige Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP), sie erzielen zwar nicht die höchste Leistung im Hinblick auf die Energiedichte, eignen sich aber gut für das “Low-Cost”-Segment von Elektrofahrzeugen. Tesla setzt beispielsweise auf dem chinesischen Markt auf LFP-Batterien vom Hersteller CATL und spart damit 25 Prozent Kosten im Vergleich zur NCM-Batterie aus der Giga Factory in Nevada. Dies ermöglicht eine schnellere Marktpenetration in der Masse. Schätzungen zufolge kann Tesla durch diesen Wechsel von NCM zu LFP-Batterien für das Model 3 zwischen 600 und 1.200 US-Dollar pro Auto einsparen. Dies geschieht allerdings auf Kosten der Reichweite, denn eine LFP Batterie ist in diesem Kontext schwächer als eine NCM Batterie.

Führend beim Preis der LFP-Batterietechnologie gelten derzeit unter anderem CATL und BYD.

Diagramm: Kosten eines Battery Packs

Insgesamt ist die LFP-Batterie trotz Kostenvorteilen keine optimale Lösung für die Zukunft. Neben den bereits erwähnten Einschränkungen bei der Energiedichte können LFP-basierte Batterien nur Spannungen unter 3,4 V ausgeben, was mitunter zu hohen Selbstentladungsraten führt.

Langfristig könnte ein technologischer Durchbruch bei Festkörperbatterien die Reichweite von Elektroautos maßgeblich erhöhen. In naher Zukunft ist dies allerdings nicht absehbar.
Hypothese 4

Wie bereits angerissen, wird neben der Verbesserung der Lithium-Ionen-Batterie auch an weiteren Formen von Batterietechnologie geforscht. Ein vielversprechender, jedoch noch am Anfang stehender Forschungsbereich sind Li-Metall-Festkörperbatterien, insbesondere Li-S- und Li-Luft-Batterien.

Gelingt den Forschungsteams bei diesen Batterien ein technologischer Durchbruch, ist bei Li-S-Batterien mit der doppelten Energiedichte gegenüber klassischen Li-Ionen Batterien zu rechnen. Li-Luft-Batterien könnten sogar eine bis zu dreifache Energiedichte erreichen. Das würde sich sehr positiv auf die Reichweite von Elektrofahrzeugen auswirken und könnte den Preis erheblich senken. Obwohl einige Player, wie auch das von VW finanzierte Startup QuantumScape, in diesem Bereich Forschungsfortschritte versprechen, wird es nach unseren Einschätzungen noch viele Jahre dauern, bis eine solche Technologie kommerzialisierbar ist und in der breiten Masse Anwendung finden kann.

Der Trend im Automobilsektor geht hin zu einer vertikalen Integration.
Hypothese 5

Unsere letzte Hypothese bezieht sich nicht auf die Batterie­technologie­forschung selbst, sondern darauf, die Batterieproduktion in die Automobilindustrie zu integrieren. Derzeit beziehen die meisten Automobilhersteller ihre Batterien von Lieferanten weltweit. Einige gehen hierzu Joint-Ventures ein, um auch inhouse produzieren zu können.

Tesla hat bereits im Jahr 2014 eine 5 Milliarden US-Dollar Joint-Venture-Vereinbarung mit dem japanischen Batteriehersteller Panasonic für Batterieproduktionen mit 35 GWh jährlicher Produktionskapazität getroffen. Seit 2017 produzieren beide Parteien gemeinsam Lithium-Ionen-Batterien in der Tesla Gigafactory in Nevada. Toyota ist 2020 ebenfalls ein Joint Venture mit Panasonic eingegangen. Es trägt den Namen “Prime Planet Energy and Solutions”.

Auch die deutschen Automobilhersteller stellen sich immer stärker in Richtung Joint Venture auf. So ist beispielsweise VW ein Joint Venture mit dem bereits gelisteten US-Startup QuantumScape eingegangen und hat sich mit 255 Millionen Euro an dem Unternehmen beteiligt. Zudem hält VW 20 Prozent an dem schwedischen Batterie-Startup NorthVolt und plant mit diesem die Umsetzung von Gigafactories in Europa.

Mercedes-Benz ist ebenfalls einige strategische Partnerschaften eingegangen, unter anderem mit dem chinesischen Anbieter CATL und mit Farasis. Hierdurch will der Autobauer die Entwicklung aktueller und zukünftiger Lithium-Ionen-Batterien vorantreiben. Neben strategischen Partnerschaften, Beteiligungen an Batterie-Unternehmen und Joint Ventures zeichnet sich ein weiterer Trend in der Automobilindustrie ab: Immer mehr Autohersteller tendieren zu einer lokalen Produktion von Batterien und vertikalen Integration. Besonders Tesla hat sich hierzu während des Battery Days 2020 sehr klar positioniert. Ziel des Unternehmens ist es, sich auch bei der Rohstoffversorgung eigenständig aufzustellen und die von China dominierte Lieferkette für Batterien zu durchbrechen. Das Unternehmen will so die gesamte Batterielogistik effizienter gestalten und plant, perspektivisch selbst Lithium abzubauen. Hierfür hat sich Tesla bereits Lithium-Abbaurechte in Nevada gesichert.

Auch am anderen Ende der Wertschöpfungskette, in Richtung der Produktion, stellt Tesla sich verstärkt inhouse auf. Intelligente Ansätze im Bereich der direkten Integration von Batterien in Fahrzeugteile (= In-Vehicle-Integration) sowie ein starker Automatisierungsgrad in der Produktion ermöglichen starke Kosteneinsparungen. Alleine durch die “In-Vehicle-Integration” einer Batterie ist laut Tesla eine Einsparung von 10 Prozent an Masse sowie 370 Bauteilen möglich.

Fazit

Der Batteriemarkt ist aus unserer Sicht definitiv ein Markt mit 10x-Potenzial. Vor allem die zunehmende Elektrifizierung der Automobilindustrie, aber auch die Entwicklung von komplett neuartigen Mobilitätsformen wie E-Scootern oder Flugtaxis sowie Anwendungen im Home Storage Bereich oder der Netzstabilisierung sind Treiber für ein sehr starkes, zukünftiges Wachstum von benötigter Speicherkapazität.

Speziell der Automobilsektor ist in diesem Segment spannend, da die Industrie derzeit eine Disruption erfährt. Ein zunehmendes Bewusstsein der Konsumenten für den Klimawandel und die sich verändernden regulatorischen Bestimmungen treiben die Penetration von Elektrofahrzeugen immer schneller voran.

Aus technologischer Sicht fasziniert es uns zudem, welche Auswirkungen die Batterie auf Performance und Kosten von Elektrofahrzeugen hat. In der Batterietechnologie sind noch riesige technologische Fortschritte möglich. Speziell in der Entwicklung einer verbesserten Lithium-Ionen-Batterie erkennen wir für den Sektor viel Potenzial, verfolgen allerdings auch die Ausreifung einiger komplett neuartiger Ansätze wie der Feststoffbatterie mit Spannung.