Eine neue Roadmap des Fraunhofer ISI zu Lithium-Ionen-Batterien
konzentriert sich auf die Skalierungsaktivitäten der Batterieindustrie bis
2030 und betrachtet mögliche technologische Optionen, Ansätze und Lösungen
für die Bereiche Materialien, Zellen, Produktion, Systeme und Recycling.
In der Studie werden insbesondere drei Trends untersucht: Die Produktion
von leistungsoptimierten, kostengünstigen und nachhaltigen Batterien.
Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien wächst weiter: Im Jahr 2023 könnte
der globale Absatz erstmals die Marke von 1 TWh überschreiten. Bis 2030
dürfte sich die Nachfrage auf über 3 TWh mehr als verdreifachen, was
zahlreiche Auswirkungen auf die Branche, aber auch auf die
Technologieentwicklung und die Anforderungen an Batterien hat. So
schreiben beispielsweise die jüngsten gesetzlichen Bestimmungen bei
Batterien ein Mehr an Nachhaltigkeit vor. Der massenhafte Einsatz von LIBs
in Elektrofahrzeugen hat die Frage des Batteriepreises in den Vordergrund
und eher technische Faktoren wie Energiedichte und Reichweite in den
Hintergrund gedrängt.
Eine neue Roadmap des Fraunhofer ISI befasst sich in diesem Kontext mit
den »Industrialisierungsperspektiven bis 2030« und stützt sich bei ihren
Analysen insbesondere auf Industrie-Roadmaps und andere Ankündigungen zur
Produktion oder Nutzung bestimmter Technologien. Die Roadmap wurde im
Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
finanzierten Projekts »BEMA II« erstellt.
Erster Trend: Leistungsoptimierte Batterien
Die Studienergebnisse für den ersten Trend hin zu leistungsoptimierten
Batterien zeigen, dass es in den nächsten Jahren ehrgeizige
Entwicklungsziele gibt, um insbesondere bei den Parametern Energiedichte
und Schnellladefähigkeit deutliche Verbesserungen zu erzielen. Für einige
Flaggschiff-Fahrzeuge sollen die Laderaten auf 4C und damit in den Bereich
von 10 bis 20 Minuten Ladezeit beschleunigt werden. Um diese Ziele zu
erreichen, setzt die Industrie auf Hochnickelkathoden, Siliziumanoden und
neue Zell- und Packdesigns, die den Platzbedarf, die thermische Kopplung
und die Sicherheitseigenschaften verändern. Auf Systemebene bietet
beispielsweise die 800-V-Technologie einen neuen Weg zur Verbesserung der
Batterieleistung.
Zweiter Trend: Batteriekosten senken
Ein zweiter bedeutender und vielleicht noch wichtigerer Trend besteht in
der Senkung der Batteriekosten. Die Roadmap unterstreicht, dass das
Kostenziel auf der Ebene der Batteriepacks immer noch deutlich unter 100
EUR/kWh liegt, was eine Senkung um 30 bis 50 Prozent im Vergleich zu den
heutigen Kosten bedeuten könnte. Die Industrie will dieses Ziel durch die
Nutzung sowohl cobalt- als auch nickelfreier Materialien, die
Standardisierung von Zellen und die Direktintegration ins Batteriepack
erreichen. Auch neue Produktionsprozesse könnten dazu beitragen, sowohl
durch den Hebel der Energie- und Anlagenkosten als auch über eine
Standardisierung der Fabriken selbst. Auch zeigt sich bei den Kosten, dass
Technologien eben doch nicht unbedingt Standortneutral sind. Niedrige
Batteriekosten könnten auch durch die Verlagerung von Fabriken an
günstigere Produktionsstandorte erreicht werden.
Dritter Trend: Nachhaltige Batterien herstellen
Der dritte Trend, die Herstellung nachhaltiger Batterien, gewinnt durch
die EU-Batterierichtlinie, aber auch durch eine wachsende Zahl von
Automobilherstellern an Dynamik. Nachhaltigkeit kann viele Faktoren
betreffen, von der Rohstoffgewinnung bis hin zur Produktion und
Nutzungsszenarien. In den kommenden Jahren durfte sich die industrielle
Entwicklung eher auf Zelltechnologien und Produktionstechnologien
fokussieren, von denen einige sogar Nachhaltigkeit, etwa einen geringen
CO2-Fußabdruck, mit niedrigen Kosten kombinieren. Dazu zählen eisen- und
manganbasierte Kathoden, eine wasserbasierte oder trockene
Elektrodenprozessierung und die Rückgewinnung von Materialien am
Batterielebensende durch Recycling. Auch der Produktionsstandort spielt
eine wichtige Rolle für die Nachhaltigkeit, da er von Faktoren wie dem
verfügbaren Energiemix und der Entfernung zu vor- und nachgelagerten
Produktionsstätten beeinflusst wird.
Batterien mit klaren Profilen und Anwendungsfällen
Die drei in der Studie diskutierten Schlüsseltrends stehen teilweise im
Widerspruch: Hohe Performance ist manchmal teuer und die hohe Priorität
eines geringen ökologischen Fußabdrucks kann zum Beispiel die Nutzung
einiger Technologien einschränken. Folglich sollte die Industrie hier
diversifizieren und Batterien mit klaren Profilen und Anwendungsfällen
herstellen. Zellhersteller, Automobil-OEMs, Start-ups und ihre Joint
Ventures wollen bis 2028 eine jährliche Zellproduktionskapazität von mehr
als 10 TWh aufbauen. Berücksichtigt man die Wahrscheinlichkeit für die
tatsächliche Umsetzung und typische Verzögerungen, scheinen bis zu 5 TWh
realistisch zu sein. Was die Produktion von Anoden- und Kathoden-
Aktivmaterialien betrifft, so wurden für 2028 etwa 3 TWh angekündigt, was
näher am prognostizierten Batteriebedarf der Anwendungsmärkte von 2 bis
3,5 TWh liegt. Wie sich die Batterierecyclingkapazität entwickeln wird,
ist noch unklar. Alle Ankündigungen der letzten Jahre zeigen ein
asymmetrisches Bild entlang der LIB-Wertschöpfungskette, in der der
Schwerpunkt lange auf der Zellproduktion lag. Im Bereich der Materialien
und Komponenten hat die Industrie noch Nachholbedarf.
Europa auf dem Weg zur Selbstversorgung?
Dr. Christoph Neef, wissenschaftlicher Koordinator der Studie, sieht
Europa auf einem guten Weg, ein wichtiger Akteur in der globalen
Batteriezellenproduktion zu werden: »In Europa gibt es Pläne zum Aufbau
von Zellproduktionskapazitäten in Höhe von 1,7 TWh aufgrund einer
steigenden Elektrofahrzeug-Produktion. Berücksichtigt man die
Realisierungswahrscheinlichkeit und mögliche Verzögerungen, scheint bis
2030 rund 1 TWh realistisch zu sein. Die Zahlen für Europa bestätigen den
globalen Trend einer starken Konzentration auf Projekte und Investitionen
in die Zellproduktion. Das Ziel, 30 Prozent der weltweiten Zellproduktion
auf europäischem Boden anzusiedeln, könnte erreicht werden.«
Christoph Neef fügt aber hinzu, dass Europa bei der Produktion von
Anodenmaterialien schwach bleiben dürfte und weiter auf Importe angewiesen
ist. Auch andere Lücken bestehen fort, etwa bei passiven Zellkomponenten
oder der Schlüsseltechnologie Lithiumeisenphosphat, die für kostengünstige
Batterien extrem wichtig ist. Bisher ist der Ausbau der
Produktionskapazitäten und die Frage, welche Hersteller diese Technologie
in der Zellproduktion abdecken könnten, noch ungeklärt. Ebenso hat sich
noch kein Materialhersteller verpflichtet, nennenswerte Kapazitäten für
Siliziummaterialien aufzubauen, die als LIB-Technologie der nächsten
Generation gelten. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, spielen
Investitionen sowie gute Investitionsbedingungen, aber auch niedrige
Energiekosten und qualifizierte Arbeitskräfte eine wichtige Rolle. Die
Straffung bürokratischer Prozesse und die Verringerung zeitaufwändiger
Verfahren sowie staatliche Subventionen und Finanzierungsmechanismen
könnten dazu beitragen, mehr industrielle Akteure anzulocken und so für
gleiche Wettbewerbsbedingungen mit außereuropäischen Länder sorgen.