Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zuknftiger Batterietechnologien

Mit der Roadmap Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zuknftiger Batterietechnologien stellt das Fraunhofer ISI ein Update seiner bis 2015 erstellten Energiespeicher-Roadmaps vor. Die 2017er Roadmap widmet sich den Herausforderungen fr Forschung und Entwicklung (FuE) von Hochenergie-Batterien, fr welche derzeit die Zellproduktionskapazitten weltweit massiv ausgebaut werden. Zudem zeigen Langfristpotenziale fr alternative Batterietechnologien auf, ob und welche Technologien jenseits 2030 in den Markt kommen knnten.

Im kommenden Jahrzehnt wird die Nachfrage nach Batterien drastisch zunehmen, wenn sich Elektrofahrzeuge, tragbare digitale Elektrogerte sowie stationre dezentrale Energiespeicher weiter durchsetzen. Allein Europa knnte mit einem Anteil von 20-30% der globalen Nachfrage dazu beitragen, dass Zellproduktionskapazitten von mindestens 200 GWh bis in den TWh-Bereich bis etwa 2030 an europischen Standorten aufgebaut werden mssen. Die derzeit fr Europa angekndigten Kapazitten asiatischer und europischer Zellhersteller knnen diese Nachfrage nicht bedienen. Mit Blick auf die internationalen Lieferketten von den Rohstoffen bis zum Recycling und der Wiederverwertung mssen sich die Batterieindustrie und davon abhngige Systemintegratoren dringend auf diese Entwicklungen vorbereiten. Wie derartige Entwicklungen oder konkrete zu lsende Herausforderungen fr die Technologieentwicklung von Lithium-Ionen- bzw. Lithium-basierten-Batterien der kommenden 10-15 Jahre aussehen knnten, 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 hhere Energiedichten zu erfllen 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 Hochkapazittsanoden mit bis zu 20% Si-Anteil drften bis 2030+ optimierte Lithium-Ionen-Batteriezellen mit 300-350 Wh/kg gravimetrischer und 1000 oder mehr Wh/l volumetrischer Energiedichte erreichbar sein. Die Zellkosten drften 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 knnen langfristig mit noch hheren 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 knnten ab 2030 Marktreife erlangen. Allerdings sind mit der Entwicklung von Hochenergie-Batterien auch Risiken verbunden, wie zum Beispiel die Gefahr einseitiger technologischer Abhngigkeiten. Bereits heute versuchen sich einige Hersteller den Zugang zu zentralen Batterierohstoffen wie Kobalt und Lithium fr die kommenden Jahre zu sichern. Langfristig werden Aspekte der Ressourcenverfgbarkeit und Nachhaltigkeit immer mehr an Bedeutung gewinnen und sich die Frage nach der Rohstoffsubstitution und Verfgbarkeit alternativer Technologien stellen. Eine explorative Roadmap hebt durch das Aufzeigen von Langfristperspektiven zuknftiger Batterietechnologien, welche meist an disruptive Lsungsanstze geknpft sind, realistische Entwicklungsrichtungen fr alternative Batterietechnologien hervor. Zwar ist eine groe Palette an alternativen Technologien vorhanden, allerdings bestehen in der Praxis noch viele ungelste Herausforderungen, wie fehlende geeignete Elektrolyte, welche die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien und auch das Elektrodendesign begrenzen. Zudem sind Fragen einer knftigen produktionstechnischen Umsetzung in der Regel noch vllig offen. Forschungsaktivitten im Bereich alternativer Batterietechnologien sind jedoch wichtig, denn neben mglichen technischen Fortschritten ist auch eine Anpassung oder Neubewertung der Anforderungen an Energiespeichertechnologien mit einem strkeren Fokus auf Nachhaltigkeitsaspekte zuknftig nicht auszuschlieen. Auch bei schlechteren Leistungsparametern knnten solche Lsungen zum Beispiel mit Blick auf Ressourcenverfgbarkeit und Kosten zuknftig 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 zuknftiger Batterietechnologien soll die Entwicklung einer langfristigen Forschungsstrategie fr den Standort Deutschland untersttzt werden.

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