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Das Rennen um die Marktführerschaft auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterietechnologie ist noch nicht entschieden. Es hat noch nicht einmal begonnen, wie auf dem Deutsch-Japanischen Symposium zum Thema Energiespeichermaterialien vom 9. November 2011 kolportiert wurde. Zwar erwarten Experten jederzeit den Startschuss. Doch sind sie sich auch darüber einig, dass dieser Marathon nicht derjenige gewinnt, der als erster 100.000 Autos mit Hochleistungsbatterien beliefert, sondern jenes Unternehmen, welches über Jahre günstig und qualitativ konstant fertigt.
Dieser Ansicht ist auch Felix von Brock, Gründer und Geschäftsführer der Akasol Enineering GmbH, einem Unternehmen aus Darmstadt, welches sich auf das Fertigen von Batteriesystemen spezialisiert hat. Er kritisiert, dass sich deutsche Unternehmen zu lange der Technologie enthalten haben. "Andere Länder wie etwa Japan trainieren für dieses Rennen bereits seit drei Jahren, während wir noch nicht einmal die Regeln gelesen haben". Doch trotz des Lobes für Japan - der Spitzenplatz der Asiaten wackelt. "Wenn wir uns die Zahlen für 2011 ansehen, dann hat Japan bereits verloren. Korea ist derzeit die Nummer eins bei Lithium-Ionen-Batterien. Und selbst wenn wir eine neue Batterieentwicklung präsentieren, Korea und China werden aufholen.", erzählt Dr. Hiroshi Hanafusa von Sanyo Electric.
Ein Markt von ungeheurer Bedeutung
Das 8. Nanotechnologieforum Hessen, in dessen Rahmen die Veranstaltung stattfand, war auch als binationales Symposium gedacht, in dessen Mittelpunkt das technologische und wirtschaftliche Potenzial des Materialsektors auf dem Gebiet der Energiespeicher steht. Angesichts der ungeheuren Bedeutung für die deutsche Industrie wies Steffen Saebisch in seiner Begrüßungsrede auf die Dringlichkeit der Zusammenarbeit mit dem Partnerland Japan hin. Als Staatssekretär im Hessischen Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung begrüßte er deshalb die von vielen Unternehmen gepflegte enge Deutsch-Japanische Zusammenarbeit in der Forschung und Produktion, die es übrigens seit genau 150 Jahren gibt.
Im Jahr 1861 wurde mit dem damaligen Preußen die "Deutsch-Japanische Freundschaft" beschlossen. Japan durfte fortan die Hochtechnologie der Deutschen nutzen. Wie sich die Zusammenarbeit derzeit gestaltet und welche Entwicklungen künftig den Markt bestimmen, dazu referierten in der Deutschen Nationalbibliothek in Frankfurt Industrievertreter aus Forschung und Entwicklung beider Länder. Immerhin befinden sich im Einzugsgebiet der Landeshauptstadt einige der führenden Unternehmen in der Batterie-Chemie während Japan die Speichertechnologie mit anführt. Saebisch schätzt allein den Markt für Energiespeicher in wenigen Jahren auf rund 130 Milliarden Euro weltweit.
Japans Milliarden-Projekt
Zwar steht dabei noch die Lithium-Ionen-Batterie im Mittelpunkt aller Bemühungen, doch glaubt Prof. Dr. Jürgen Janek von der Justus-Liebig-Universität Gießen bereits an eine Post-Lithium-Generation, die einen spezifischen Energiegehalt von mehr als 200 Wh/kg aufweist. Dazu zählt er außer der Lithium-Schwefel-Batterie auch die Lithium-Luft-Batterie. Ihren Einsatz hält er aber für fragwürdig, da die Energieausbeute den Anforderungen nicht genügt. Einzig dem Lithium-Schwefel-Energiespeicher gesteht er große Chancen zu - auch deshalb, weil sie mit einer geringeren Batteriemasse auskommt, um ein Auto 100 Kilometer weit zu bewegen. Während sein Institut die Grenze für Li-I-Batterien bei minimalen 75 Kilogramm für 100 Kilometer angibt, sind es bei der Schwefel-Variante nur etwa die Hälfte. Rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit einer Reichweite von 250 Kilometer würden dann anstatt 200 Kilogramm nur noch 100 Kilogramm an Batterien mitschleppen, ein wichtiges Kriterium für die Autohersteller, wie Uwe Likar von Mitsubishi Motors Europe erklärt. "Erst wenn das Gewicht der Batterie unter 20 Prozent des Gesamtgewichts des Autos liegt, ist elektrisches Fahren sinnvoll.". Beim i-Miev, dem ersten Elektroauto mit europäischer WVTA-Zulassung, sind es heute 17 Prozent.
Um aber die bestehenden Limits zu sprengen, sind Materialien nötig, die mehr Ladung aufnehmen. "Wir brauchen dafür unter anderem hochvoltstabile Elektrolyte und Separatoren, die für neue Batterie-Typen geeignet sind", sagt Prof. Janek. Auch Eiji Ohiro von Japans New Energy Development Organization (NEDO) sieht die Lösung für eine auf Elektromobilität optimierte Batterie in der Materialforschung. Nahezu acht Milliarden Yen (rund 66 Millionen Euro) stehen seinem Institut zur Verfügung, um die Forschung zu fördern und zu koordinieren. In vier Projekten, die teils noch bis Ende 2015 datiert sind, geht es einerseits um das Optimieren von Energiedichte, Lebensdauer und Leistungsdichte. Andererseits wird an einer standardisierten Zellenproduktion geforscht und an einem Gerät zur Analyse von Lade- und Entladevorgängen.
Nicht jeder traut chinesischen Zellen
Diese japanische Art der Forschung lobt Prof. Janek. Die Koordinierung und die Zusammenarbeit mit den Universitäten und Instituten sei unverkrampfter. Das schätzt auch von Brock. Gemeinsam mit einem japanischen Hersteller hat er die seiner Ansicht nach beste Zelle für das Auto entwickelt. Das Aufheizen von -10 auf +10 °C dauert nur zehn Minuten. Und selbst ein Rütteltest mit 4G konnte die Batterie nicht schädigen. Für ihn ist dies auch ein Grund, nicht auf chinesische Zellproduzenten zurück zugreifen – auch wenn sie wesentlich günstiger anbieten.
Den Technologie-Vorsprung seines Landes will der Wissenschaftler Tatsuya Nishida, Head of Inorganic Materials Division, Hitachi Chemical, mit der Entwicklung eines neuen Anoden-Material sichern. "Die Leistung künftiger Lithium-Ionen-Batterien ist auch ein Ergebnis neuer Materialien". Sein Unternehmen verwendet dazu neben natürlichem auch künstliches Graphit. Dieses ist zwar teurer in der Gewinnung, aber leistungsfähiger. Weil zur Herstellung allerdings ein elektrischer Ofen mit bis zu 3000 Grad Celsius benötigt wird, hat sich Hitachi schon vor Jahren zu einer engen Zusammenarbeit mit dem deutschen Unternehmen SGL entschieden.
Damit entstehen heute Materialien für die dritte Generation von Lithium-Ionen-Batterien. Dr. Christoph Hartnig von der deutschen Chemetall GmbH mit Sitz in Frankfurt am Main forscht allerdings schon an der Chemie für die Batterie-Generation danach. Ausgehend von der Roadmap, die er in seinem Referat präsentierte, hält er die Lithium-Schwefel-Batterie ab 2020 für marktreif. Für die Anode kommen dann seiner Ansicht nach Lithium-Metalle statt Graphit und für die Kathode Lithium-Sulfide statt Metalloxide zum Einsatz. Das Rennen um die Vorherrschaft bei der Batterietechnik wird also vor allem auch durch den Einsatz neuer Materialien entschieden. Dass die Rohstoffressourcen eines Tages knapp werden können, daran glaubt er nicht, mahnt dennoch, wichtige Basismaterialien zu recyceln. Das ist eine Aufgabe, die vor allem an die Logistik eine große Herausforderung stellt. "Immerhin verfügt eine Batterie am End-of-life noch über etwa 80 Prozent ihrer Leistung", sagt Frank Treffer von der Umicore AG. Das Recyceln sei aber auch ein Frage der Effizienz, vor allem vor dem Hintergrund der Vielfalt der Systeme. Vor kurzem wurde dazu eine Pilotanlage zur Vorbehandlung von Batteriesystemen errichtet, für die das Unternehmen vor zwei Wochen einen Innovationspreis aus Belgien erhalten hat.
Der Brennstoffzellen-Batterie-Hybrid
Den Preis für das beste Energiesystem künftiger Elektrofahrzeuge würde Dr. Adelhelm der Kombination von Batterie und Brennstoffzelle geben. Dr. Adelhelm ist Nachwuchsgruppenleiter Energiespeichermaterialien der Universität Giessen und forscht dort an Wasserstoffspeicher für Brennstoffzellen-Autos. Er weiß, das zwar nur vier Kilogramm Wasserstoff nötig sind, um ein Auto 400 Kilometern weit zu bewegen. Das Volumen des Energiespeichers sei aber heute eines der größten ungelösten Probleme.
(Bild: Hessen Agentur / Burkert)