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Energie-Nachrichten

Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zuk黱ftiger Batterietechnologien

Mit der Roadmap 揌ochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zuk黱ftiger Batterietechnologien stellt das Fraunhofer ISI ein Update seiner bis 2015 erstellten Energiespeicher-Roadmaps vor. Die 2017er Roadmap widmet sich den Herausforderungen f黵 Forschung und Entwicklung (FuE) von Hochenergie-Batterien, f黵 welche derzeit die Zellproduktionskapazit鋞en weltweit massiv ausgebaut werden. Zudem zeigen Langfristpotenziale f黵 alternative Batterietechnologien auf, ob und welche Technologien jenseits 2030 in den Markt kommen k鰊nten.

Im kommenden Jahrzehnt wird die Nachfrage nach Batterien drastisch zunehmen, wenn sich Elektrofahrzeuge, tragbare digitale Elektroger鋞e sowie station鋜e dezentrale Energiespeicher weiter durchsetzen. Allein Europa k鰊nte mit einem Anteil von 20-30% der globalen Nachfrage dazu beitragen, dass Zellproduktionskapazit鋞en von mindestens 200 GWh bis in den TWh-Bereich bis etwa 2030 an europ鋓schen Standorten aufgebaut werden m黶sen. Die derzeit f黵 Europa angek黱digten Kapazit鋞en asiatischer und europ鋓scher Zellhersteller k鰊nen diese Nachfrage nicht bedienen. Mit Blick auf die internationalen Lieferketten von den Rohstoffen bis zum Recycling und der Wiederverwertung m黶sen sich die Batterieindustrie und davon abh鋘gige Systemintegratoren dringend auf diese Entwicklungen vorbereiten. Wie derartige Entwicklungen oder konkrete zu l鰏ende Herausforderungen f黵 die Technologieentwicklung von Lithium-Ionen- bzw. Lithium-basierten-Batterien der kommenden 10-15 Jahre aussehen k鰊nten, benennt die normative Roadmap Hochenergie-Batterien 2030+. Dabei wird aufgezeigt, wie ein sukzessiver Wechsel aller Zellkomponenten (Kathode, Anode bis Elektrolyt/Separator) bis hin zu Feststoffbatterien erfolgen kann, um die Anforderungen an h鰄ere Energiedichten zu erf黮len und insgesamt den Energiedurchsatz im Batteriesystem zu verbessern. Dabei muss eine Optimierung durch das Zusammenspiel der Zellmaterialien und -komponenten erfolgen und zudem die Entwicklungen bis auf Zell- und Systemebene sowie die Anwendungsintegration miteinbezogen werden. Mit Nickel-reichen- und Hochenergie-NMC-Kathoden sowie mit auf Si/C-Kompositen basierenden Hochkapazit鋞sanoden mit bis zu 20% Si-Anteil d黵ften bis 2030+ optimierte Lithium-Ionen-Batteriezellen mit 300-350 Wh/kg gravimetrischer und 1000 oder mehr Wh/l volumetrischer Energiedichte erreichbar sein. Die Zellkosten d黵ften dann im Bereich von 70-100 /kWh liegen. Dabei werden sich die Leistungsparameter der Zellformate zylindrisch, prismatisch und Pouch auf Modulebene zunehmend angleichen. Feststoffbatterien mit Li-Metall-Anoden k鰊nen langfristig mit noch h鰄eren Energiedichten auf den Markt kommen. Die Entwicklungen sind aber mit Risiken behaftet und erfordern Forschungs-Anstrengungen zu geeigneten Elektrolytmaterialien, neuen Materialdesigns und Produktionstechnologien. Bei Elektrofahrzeug-Anwendungen stehen hybride und keramische Feststoffbatterien im Fokus und k鰊nten ab 2030 Marktreife erlangen. Allerdings sind mit der Entwicklung von Hochenergie-Batterien auch Risiken verbunden, wie zum Beispiel die Gefahr einseitiger technologischer Abh鋘gigkeiten. Bereits heute versuchen sich einige Hersteller den Zugang zu zentralen Batterierohstoffen wie Kobalt und Lithium f黵 die kommenden Jahre zu sichern. Langfristig werden Aspekte der Ressourcenverf黦barkeit und Nachhaltigkeit immer mehr an Bedeutung gewinnen und sich die Frage nach der Rohstoffsubstitution und Verf黦barkeit alternativer Technologien stellen. Eine explorative Roadmap hebt durch das Aufzeigen von Langfristperspektiven zuk黱ftiger Batterietechnologien, welche meist an disruptive L鰏ungsans鋞ze gekn黳ft sind, realistische Entwicklungsrichtungen f黵 alternative Batterietechnologien hervor. Zwar ist eine gro遝 Palette an alternativen Technologien vorhanden, allerdings bestehen in der Praxis noch viele ungel鰏te Herausforderungen, wie fehlende geeignete Elektrolyte, welche die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien und auch das Elektrodendesign begrenzen. Zudem sind Fragen einer k黱ftigen produktionstechnischen Umsetzung in der Regel noch v鰈lig offen. Forschungsaktivit鋞en im Bereich alternativer Batterietechnologien sind jedoch wichtig, denn neben m鰃lichen technischen Fortschritten ist auch eine Anpassung oder Neubewertung der Anforderungen an Energiespeichertechnologien mit einem st鋜keren Fokus auf Nachhaltigkeitsaspekte zuk黱ftig nicht auszuschlie遝n. Auch bei schlechteren Leistungsparametern k鰊nten solche L鰏ungen zum Beispiel mit Blick auf Ressourcenverf黦barkeit und Kosten zuk黱ftig Alternativen darstellen. Mit der auf den Einsatz in Elektrofahrzeugen fokussierten Roadmap Hochenergie-Batterien 2030+ sowie der auf sonstige Anwendungen, eine erweiterte Bewertung der Leistungsparameter und Potenziale gerichteten Betrachtung der Langfristperspektiven zuk黱ftiger Batterietechnologien soll die Entwicklung einer langfristigen Forschungsstrategie f黵 den Standort Deutschland unterst黷zt werden.

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