Die Automobilbranche setzt auf die Karte Festkörperbatterien, einen großen Sprung bringt die Technologie aber zunächst nicht. Darauf machte Prof. Dirk Uwe Sauer von der RWTH Aachen auf der International Renewable Energy Storage Conference (IRES) im Rahmen der ESE 2018 in Düsseldorf aufmerksam. „So viel ändert sich da nicht“, sagte Sauer.
Festkörperbatterien unterscheiden sich von heute gängigen Lithium-Ionen-Batterien durch den Elektrolyten, der nicht mehr flüssig ist, sondern aus einem Polymer oder Keramik besteht und mithin fest ist. Vorteil solcher Strukturen sei, dass die Energiedichte auf der Elektrodenseite deutlich erhöht werden könne, erläuterte Sauer. Nutzt man dies aber etwa durch eine Lithium-Metallstruktur, reagiert das Lithium sehr stark. Probleme könne auch die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur mit sich bringen. Umgekehrt könnten in der Keramik Kontakte bei Volumenvergößerungen im Elektrolyt reißen.
Lineare Fortschritte bei der Technologieentwicklung zu erwarten
Generell werde es bei der Weiterentwicklung der Batterietechnologie kontinuierliche technologische Verbesserungen geben, sprunghaften Verbesserungen seien aber aus physikalischen Gründen Grenzen gesetzt. Die Vielfalt möglicher Ausprägungen der Lithium-Ionen-Technik ermögliche aber eine große Zahl von Ansatzpunkten für potenzielle Verbesserungen. Lithium selbst mache in den Batterien lediglich einen Anteil von drei Prozent aus, der Rest der Zellchemie sei variabel. So gebe es etwa bei Nickel-Kobald-Mangan-Batterien am Markt sehr unterschiedliche Zusammensetzungen zwischen den Stoffen. Auf diese Weise könne auf rohstoffseitige Begrenzungen reagiert werden. „Wenn etwas knapp ist, das ist es Kobalt“, sagte Sauer.
Schlüssel für einen wirtschaftlichen Erfolg der Batterien bleibe die Energiedichte der Batterien. Nur 30 Prozent der heutigen Kosten der Produktion entfielen auf Verarbeitungskosten, der größere Teil seien Rohstoffkosten. „Wenn man die Energiedichten nicht steigert, bekommt man die Preise nicht runter.“ Mit Blick auf die Zellformen gebe es keinen Hinweis darauf, dass eine Form – etwa prismatische oder zylindrische Zellstrukturen – einen systematischen Vorteil aufweise, ergänzte Sauer.
Kalendarische Lebensdauer: Vollgeladene Li-Ion-Akkus altern sehr schnell
Der RWTH-Wissenschaftler ging auch auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus ein. Mit Blick auf die kalendarische Lebensdauer alterten voll geladene Batterien sehr schnell – hier unterscheide sich die Li-Ion-Technologie grundlegend von Bleibatterien. In Hinblick auf die zyklische Lebensdauer verwies Sauer darauf, dass Teilzyklen die Lithium-Ionen-Batterie weniger schädigen als Vollzyklen. „Wenn ich es mir leisten kann, die Batterie so zu dimensionieren, dass die Entladung immer gering ist, dann hält die Batterie deutlich länger gemessen an den Vollzyklen“, sagte Sauer. Hier seien Vollzyklenäquivalente von deutlich mehr als 5.000 erreichbar. Genau hier liege eines der Rezepte von Tesla. Die Fahrzeuge verfügten über eine groß dimensionierte Batterie, die selten voll entladen werde. Dadurch halte die Batterie deutlich länger als bei anderen Fahrzeugen.
Batteriespeicherpreise seit 2013 um durchschnittlich 15 Prozent pro Jahr gesunken
Die Marktentwicklung bei Batteriespeichern habe eine massive Preisreduktion ermöglicht, hob Sauer hervor. Seit 2013 habe es eine durchschnittliche Preisreduktion von 15,4 Prozent pro Jahr gegeben. Damit sei der Markt gewappnet, auch ohne Förderung gut zu funktionieren. Die Technologie habe sich zudem als sehr sicher im praktischen Einsatz erwiesen.