Faktencheck Elektroauto-Batterien

Energiedichte, Zellfertigung, Recycling: Wie entwickeln sich Akkus für Elektroautos? In "Fragen + Antworten" gehen wir dem aktuellen Sachstand der Batterieforschung auf den Grund. 

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Weltweit waren laut Wissenschaftlern des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) Anfang 2020 rund 7,5 Millionen Elektro-Pkw im Einsatz. Bis 2030 könnte ihr Marktanteil auf 25 bis 75 Prozent steigen, glauben die Forscher, die in einer Meta-Literaturanalyse Fremd- und Eigenstudien rund um das Thema Elektroauto-Batterien analysiert haben. Dies habe große Auswirkungen auf die globale Nachfrage nach und Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien, die laut Fraunhofer ISI von 500 bis 1.500 Gigawattstunden (um 2025) auf 1.000 bis 6.000 Gigawattstunden (ab 2030) ansteigen dürfte. Welche Herausforderungen ergeben sich daraus für die Weiterentwicklung von Akkus? Wir beantworten Fragen entlang der Batterie-Wertschöpfungskette. 

Wie entwickeln sich Batterien und welche Reichweiten sind zu erwarten?

Nach Angaben des Fraunhofer ISI hat sich in den letzten zehn Jahren die Energiedichte großformatiger, in E-Pkw eingesetzter Lithium-Ionen-Batteriezellen fast verdoppelt auf heute durchschnittlich 200 Wh/kg beziehungsweise 400 Wh/l. Bis 2030 könnte sich die (insbesondere volumetrische) Energiedichte nochmals maximal verdoppeln. Um damit reale Reichweiten über 600 Kilometern zu erreichen, seien aber neben der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batteriezellen auch raum- und gewichteinsparende Innovationen und Strategien bis auf die Batterie-Systemebene sowie im Fahrzeug erforderlich, erklären die Forscher.  

Reichen die Rohstoffe global aus?

Benötigte Batterierohstoffe wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit sind laut Fraunhofer ISI global gesehen ausreichend vorhanden. Durch die Entwicklung hin zu Kobalt-reduzierten und Nickel-reichen Hochenergie-Batterien werde sich die Rohstoffsituation für Kobalt weiter entschärfen. "Bei Lithium dürfte sie unkritisch bleiben, bei Nickel existieren noch Unsicherheiten. Für einzelne Rohstoffe seien temporäre Verknappungen beziehungsweise Lieferengpässe oder Preissteigerungen kurz-/ mittelfristig nicht auszuschließen", so die Forscher. Für Lithium sollen ausgereifte Recyclingverfahren im industriellen Maßstab künftig wichtiger werden.

Zu einer ähnlichen Einschätzung kommen auch die Autoren des Artikels Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe für Elektrofahrzeuge Aline Hendrich und Benjamin Reuter: "Zusammenfassend ist eine Gefahr der physischen Verknappung gering. Jedoch ist gleichzeitig mit dem Hochlauf der BEV- und FCEV-Technologien eine Steigerung der Fördermengen, insbesondere bei Lithium, Kobalt und Platin erforderlich. Dies zieht soziale, ökologische und ökonomische Folgen nach sich. Es sind zeitweise Engpässe und dadurch bedingte Preissteigerungen durchaus möglich", so die Autoren in der ATZelektronik 4-2020. 

Batteriezellfertigung: Zukaufen oder selbst fertigen?

Eine wettbewerbsfähige Massenproduktion von Batteriezellen vor Ort wird in Europa seit einiger Zeit diskutiert. Vor allem von asiatischen Herstellern hört man Ankündigungen zum Aufbau von Batteriezellproduktionskapazitäten in Europa. Wie die Nachrichtenagentur Reuters berichtet, plane der südkoreanische Batteriezellen-Hersteller SK Innovation den Bau einer dritten Batteriezellfabrik in Ungarn mit einer jährlichen Produktionskapazität von 30 GWh. Und der südkoreanische Konzern LG Chem baut gerade sein Werk im südpolnischen Wroclaw (Breslau) auf eine Kapazität von 65 GWh aus. Auch in Deutschland hat der Aufbau einer Zellfertigung durch das chinesische Unternehmen CATL im Industriegebiet "Erfurter Kreuz" begonnen. Im Jahr 2022 soll das Batteriezellenwerk fertig sein. Das chinesische Unternehmen Svolt baut im Saarland eine 24-GWh-Batteriezellenfabrik, der Produktionsstart soll Ende 2023 erfolgen. Ob und wann Tesla eine Lithium-Ionen-Zellenfertigung in Brandenburg startet, ist noch offen. Offen ist auch, ob sich aufgrund der Corona-Krise alle diese Vorhaben wie geplant realisieren lassen.

Die deutschen Autobauer haben sich mehrheitlich gegen eine eigene Zellfertigung entschieden. Sie wollen zukaufen, meist von Chinesen. So will Daimler die Zellen für die Batterien der E-Auto-Generation EQ von CATL beziehen, kooperiert aber auch mit dem chinesisch-amerikanischen Hersteller Farasis. BMW setzt neben den bisherigen Partnern CATL und Samsung auch auf das schwedische Unternehmen Northvolt. Volkswagen baut mit Northvolt eine eigene Batteriezellenfabrik am Standort Salzgitter. Die Fertigung von Batteriezellen soll dort 2024 anlaufen, die Fertigungskapazität soll zu Beginn 16 Gigawattstunden betragen, künftig aber auf 24 GWh erweitert werden. Darüber hinaus unterhält der VW-Konzern aber auch mehrere strategische Lieferantenbeziehungen, um seine Batterieversorgung abzusichern. Volkswagen geht alleine für Europa von einem jährlichen Bedarf von mehr als 150 Gigawattstunden ab 2025 aus, und für Asien ebenfalls in gleicher Höhe. Zulieferer wie Bosch und Continental verzichten auf den Bau eigener Zellproduktionen. Continental hält sich aber die Fertigung von Festkörperzellen offen.

Welche Faktoren sind für eine wettbewerbsfähige Zellfertigung wichtig? 

Nach Schätzungen des Fraunhofer ISI dürften zwischen 2025 und 2030 in Europa Produktionskapazitäten vor allem asiatischer Zellhersteller von mindestens 250 bis 300 GWh/a entstehen, denen Ankündigungen europäischer Zellhersteller in der gleichen Größenordnung gegenüberstehen. Bis 2025 dürften damit insgesamt 300 bis 400 GWh/a Produktionskapazitäten entstehen und bis 2030 rund 500 bis 600 GWh/a.

Produktionserfahrung in der Skala sei laut der Fraunhofer-Analyse ein klarer Vorteil asiatischer Hersteller, die ein europäischer beziehungsweise deutscher Produzent durch Lerneffekte und zwischenzeitliche Mehrkosten ausgleichen müsste. Für die Produktion vor Ort spräche die gesicherte Nachfrage durch gefestigte Lieferbeziehungen, räumliche Nähe zu den Abnehmer und OEMs sowie qualifiziertes Personal. Wettbewerbsentscheidende Alleinstellungsmerkmale könnten künftig durch höhere Energiedichten, Schnellladefähigkeit, geringere Kosten und eine nachhaltige Produktion (zum Beispiel Einsatz von erneuerbaren Energien bei der Produktion) geschaffen werden. 

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Welche Rolle spielt die Zweitnutzung von Fahrzeugbatterien? 

Die Zweitnutzung von Traktionsbatterien wird derzeit erprobt. Ab circa 2030 könnte sie relevant werden, wenn mit einem nennenswerten Rücklauf ausgedienter Fahrzeugbatterien zu rechnen sei, prognostiziert die Fraunhofer-Analyse. Heute sei noch nicht absehbar, welcher Anteil dieser gebrauchten Batterien sich noch als stationäre Speichersysteme oder in anderen Anwendungen nutzen lassen wird. Für tragfähige Geschäftsmodelle müssten Second-Life-Batterien zu entsprechend niedrigen Kosten und mit noch ausreichender Restperformance vorhanden und neu integrierbar sein. Fragen der Standardisierung und Gewährleistung müssen geklärt werden, weitere techno-ökonomische Forschung ist erforderlich.

Was passiert mit den Altbatterien? 

Das Recycling von Fahrzeugbatterien ist ein komplexer Prozess. Mittlerweile gilt er aber als technisch machbar und wird industriell in Pilotanlagen umgesetzt. Doch gerade vor dem Hintergrund sich ändernder Zellchemien ist die Forschung hin zu einem wirtschaftlichen sowie energie- und materialeffizienten Recycling ein stetiger Prozess. Die aktuelle Gesetzeslage zum Batterierecycling werde dem für die nächsten Jahre erwarteten deutlichen Anstieg im Altbatterieaufkommen in Europa nicht gerecht und daher derzeit überarbeitet, so das Fraunhofer ISI. "In Europa rechnen wir erst zwischen 2026 und 2028 mit einem zu recyclenden jährlichen Batterievolumen von über 10 GWh", so Dr. Axel Thielmann vom Fraunhofer ISI im Interview "In der Zellproduktion wird es keinen Lieferengpass geben" aus dem ATZextra Sonderheft Elektromobilität 2019. In Salzgitter hat Volkswagen jüngst eine Anlage für Batterie-Recycling eröffnet. Mit größeren Mengen an gebrauchten Batterien rechnet der Autobauer aber frühestens Ende des Jahrzehntes. 

Gehört der Feststoffzelle die Zukunft?

Langfristig könnte die Feststoffbatterie der konventionellen Batteriezelle mit Flüssigelektrolyt den Rang ablaufen. Bislang ist allerdings die "Technologie für eine Massenproduktion von Festkörperbatterien [...] noch nicht ausgereift, wie Akira Yoshino, Erfinder der Lithium- Ionen-Zelle, im Interview "Die Feststoffelektrolyt-Technik ist ein möglicher Impulsgeber" aus der ATZelektronik 12/2020 betont. Die Vorteile der Festkörperbatterie lägen aber auf der Hand: keine externe Kühlung, geringer Bauraumbedarf, weniger Rohstoffe und höhere Sicherheit. Die Forschung konzentriert sich seit vielen Jahren darauf, Festelektrolyte mit hoher Leitfähigkeit zu suchen. "Toyota ist führend mit einem sulfidischen anorganischen Festelektrolyt mit einer Leitfähigkeit, die etwa dem Dreifachen von flüssigen Elektrolyten entspricht", so Professor Dr. Philippe Vereecken, im Interview des Reports Batteriezellen "Made in Germany" - Ein Weg mit Hindernissen aus der ATZ 2-2020. Erste Zellen werden voraussichtlich um 2025 auf den Markt kommen, prognostiziert der Wissenschaftlicher Leiter des Forschungszentrums imec und Professor an der Universität von Leuven (Belgien).   

An welchen alternativen Batterien wird noch geforscht?

In der Theorie versprechen alternative Batteriesysteme vor allem niedrige Kosten und hohe Energiedichten. Erforscht werden unter anderem Lithium-Luft-Akkumulatoren, Metall-Luft-Batterien außer Lithium, Metall-Schwefel-Batterien, Metallionen-Batterien außer Lithium sowie Halogenidbatterien, wie die Springer-Autoren Peter Kurzweil im Buchkapitel Hochenergiebatterien nach Lithium-Ion aus dem Buch Elektrochemische Speicher erklären. Sollten sie sich die Konzepte verwirklichen lassen, haben sie eventuell das Potenzial, um mit Lithium-Ionen-Batterien zu konkurrieren. Allerdings besteht noch ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

Ein Team aus Batterieforschern unter Federführung der WWU Münster kommt in einer vergleichenden Studie zur Serienfertigung von Lithium-Ionen-Batterien und Alternativtechnologien zu dem Schluss, dass die aktuell etablierte Lithium-Ionen-Batterie den Markt wiederaufladbarer Hochenergiebatterien mittelfristig dominieren wird. "In den kommenden zehn Jahren wird die Lithium-Ionen-Technologie den Markt für wiederaufladbare Hochenergiebatterien voraussichtlich weiterhin beherrschen. Denn sie vereint vorteilhafte Eigenschaften wie Energie- und Leistungsdichte, Sicherheit, Lebensdauer und niedrige Kosten in einem", so Dr. Richard Schmuch, stellvertretender Bereichsleiter Materialien am Meet-Batterieforschungszentrum.

Alternative Batterietechnologien, insbesondere Feststoffbatterien, aber auch Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, würden zwar intensiv erforscht, so die Forscher aus Münster, jedoch noch nicht industriell in Großserie produziert. Ausgehend von zahlreichen aktuell entstehenden Produktionskapazitäten für LIB, würde eine Umstellung auf sogenannte Post-Lithium-Ionen-Batterien (PLIB) mit neuen Prozesstechnologien, Fertigungsumgebungen sowie Kompetenzen einhergehen und erfordere deshalb Milliardeninvestitionen. Einzig die Produktion von Natrium-Ionen-Batterien sei in vielen Prozessschritten vergleichbar mit der von Lithium-Ionen-Batterien. Da dieser Batterietyp aber bislang deutlich geringere Energieinhalte aufweise, stelle er aktuell keine Perspektive für den durch die Lithium-Ionen-Technologie bedienten Massenmarkt dar.