Welche Batterien erwarten uns in Zukunft?

Photovoltaik-Wissen

Aktualisiert am 10. März 2023

8 Min. Lesezeit

Tamara Dettling

Batterien werden immer wichtiger. Wir merken das bei unserer täglichen Arbeit, denn die Nachfrage nach Heim- und Gewerbespeichern steigt stetig. Aber wie nachhaltig sind die Batterien eigentlich? Und welche Zelltypen gibt es? Wie wird sich der Markt in Zukunft entwickeln?

Recyclingfähigkeit von Batterien

Wenn man sich die verwendeten Rohstoffe und die Produktionsverfahren einer Batterie oberflächlich ansieht, scheint die Batterie nicht nachhaltig oder umweltfreundlich zu sein. Denn eine Batterie enthält kritische und knappe Rohstoffe, wie z. B. Kobald, Lithium oder Mangan. Die Förderung und Produktion dieser Materialien hat in den Produktionsländern teilweise große soziale und umweltschädliche Auswirkungen.

In meinen Augen sind sie es trotzdem: Denn Batterien helfen, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu lösen. Zudem werden Batterien immer nachhaltiger. Die Materialauswahl konzentriert sich mehr auf gut verfügbare und unkritische Ressourcen, z. B. Natrium. Auch die Gewinnung von kritischen Materialen wird immer umweltfreundlicher, da aus Fehlern gelernt wird.

Wusstest du zum Beispiel, dass die Lithium-Förderung in Chile umweltfreundlicher gestaltet wurde? Früher wurde die Salzlake (in der das Lithium enthalten war) an die Erdoberfläche gepumpt und in riesigen Becken gelagert bis das Wasser verdunstet war. Das führte zum Absinken des Grundwasserspiegels. Jetzt wird das Lithium direkt aus der Salzlake entnommen und die Salzlake wieder in den Boden gepumpt.

Und was passiert, nachdem die Batterie ihr Lebensende erreicht hat? Können Batteriemodule recycelt werden? Es können über 96 % der eingesetzten Materialien eines Batteriemodules wiederaufbereitet werden. Bis jetzt wurden Lithium-Batterien nach der Nutzungszeit meistens verbrannt und dann zermahlen, um ein paar der Rohstoffe, wie Kobalt, Nickel und Kupfer, wiederzugewinnen. Mittlerweile steht ein neueres Verfahren, der mechanisch-hydrometallurgische Prozess, höher im Kurs. Er sieht so aus:

Das Batteriemodul wird zermahlen
Vermischte Rohstoffe werden über mehrere komplexe Sortierverfahren getrennt

Das Verfahren ist marktreif und für einen industriellen Maßstab geeignet. Mehrere Firmen verwenden das Verfahren schon erfolgreich. Ein deutscher Automobilhersteller will eine Anlage errichten, in der 2.500 t Batteriemodule nach diesem Verfahren recycelt werden können. Und das soll erst der Anfang sein.

Bis 2030 müssen laut EU-Batterieverordnung mindestens 70 % des gesamten Batteriemoduls recycelt werden.

Wir sehen uns nun die Batteriezelle etwas genauer an. Sie spielt eine zentrale Rolle sowohl bei der Speicherung als auch bei der Freisetzung der Energie. Hauptsächlich sind Batteriezellen in einer dieser Bauformen aufgebaut:

Zylindrisch (klassische Rundzellen)
Prismatisch
Pouch (auch Coffee-Bag-Zelle genannt)

Jede Bauform hat ihre Vor- und Nachteile. Die zylindrische Form ermöglicht beispielsweise eine sehr hohe volumetrische Energiedichte auf Zell- und Modulebene. Die runde Form füllt den Platz aber sehr ineffizient. Was die Energiedichte angeht, kann die Batteriezelle in Pouchstruktur mit der zylindrischen Form mithalten. Die Platzausnutzung ist effizient, allerdings ist die Pouchstruktur sehr flexibel, weswegen sie sich unter Druck aufbläht. Bei Batteriezellen in prismatischer Bauform hingehen ist die Energiedichte gering, sie ist gleichzeitig sehr robust und nutzt den Platz gut.

Tamara Dettling

Internal Communications Manager und Kommunikations:Expertin

Kommunikation und Texte – egal ob Interviews, Intranet-Beiträge oder andere Texte. Tamara greift gerne zu Buchstaben, Zeichen und Ziffern, um den passenden Ton zu treffen. Dazu plant sie unsere interne Kommunikation, sodass wichtige Informationen fließen. Ihr beruflicher Weg führte von einer Online-Redaktion über eine Kommunikationsagentur in die Unternehmenskommunikation.

Aktuelle Batteriesysteme und Zelltechnologien

Aktuell gibt es Stromspeicher in stationären Systemen hauptsächlich mit Lithium-Ionen (Li-Ionen). Li-Ionen-Batteriesysteme sind gut skalierbar, bringen eine hohe Lebensdauer einen geringen Wartungsaufwand, eine hohe Energiedichte, können hohe/geringe Temperaturen aushalten und sind bei Luftfeuchtigkeit weniger empfindlich als andere Batteriesysteme. Um die Sicherheit von Li-Ionen-Batteriezellen zu erhöhen und große Schäden/Risiken zu vermeiden, werden folgende Elemente verbaut:

PTC-Element (Positive Temperature Coefficient): Es unterbricht bei einer Erwärmung den elektrischen Kontakt mit der Zelle und kann verhindern, dass die Zelle weiter überhitzt.
CID-Element (Current Interrupt Device): Bei Überdruck unterbricht es den elektrischen Kontakt in der Zelle.

Seit den späten 1990er Jahren ist der Batterietyp Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) bekannt. Dieser bringt mehr spezifische Energie sowie eine hohe Leistung. NCA-Batteriezellen brauchen in E-Autos besondere Überwachungsmechanismen, die für mehr Sicherheit sorgen. Die Fertigung von NCA-Batteriezellen ist teuer, trotz des geringen Kobalt-Einsatzes. Sie ist in der Automobilindustrie nicht weit verbreitet.

Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC)-Batteriezellen können mit verschiedenen Zelleigenschaften produziert werden, da das Verhältnis von Nickel, Mangan und Kobalt variiert werden kann. Weniger Kobalt bedeutet weniger Kosten. Mehr Nickel erhöht die Energiedichte. Ein größerer Mangan-Anteil erhöht die spezifische Leistung. Diese Flexibilität ist ein großer Vorteil.

Lithium-Eisen-Phosphat-(LFP)-Batteriezellen bringen eine höhere intrinsische Sicherheit sowie Leistungsdichte. Die für die Zellherstellung verwendeten Elementgruppen haben eine bessere Verfügbarkeit, dadurch wird der Produktionsprozess deutlich erleichtert. Die Nachteile sind eine schnellere Selbstentladung sowie die im Vergleich zu NCA- und NMC-Batteriezellen geringere Energiedichte. Weitere Vergleiche:

	LFP	NCA	NMC
Energiedichte	Niedrig	Hoch	Mittel
Schnelles Laden	Hoch	Niedrig	Mittel
Leistungsabgabe	Niedrig	Hoch	Mittel
Lebensdauer	Hoch	Mittel	Mittel
Kosten	Hoch	Mittel	Mittel
Sicherheit	Hoch	Niedrig	Mittel
Verfügbarkeit der Materialien	Hoch	Niedrig	Niedrig

Der Marktausblick von Greentech Media sagt voraus, dass der Anteil von NMC-Batterien sinkt und der Anteil von LFP-Batterien steigt:

Marktanteile Li-Batteriechemien — Prognose der Marktanteile für Li-Batteriechemien

So sieht der Batteriemarkt und die Zukunft aus

Für den Batteriemarkt stehen die Zeichen auf Wachstum – allein 2022 kamen 214.000 Heimspeicher und rund 3.900 Gewerbespeicher hinzu. Schätzungen gehen von einem Bedarf an 2.035 GW im Jahr 2030 aus. Wobei ein Großteil für die Elektromobilität eingesetzt wird.

Damit dieser Bedarf gedeckt werden kann, wird an günstigen und nachhaltigen Alternativen zu Li-Ionen-Batterien geforscht. Ein kleiner Auszug der Projekte:

Cerenergy – eine preisgünstige Alternative zu Li-Ionen-Batterien?

Das Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS hat ein Joint Venture gegründet. Die Zelltechnologie rangiert unter dem Markennamen “Cerenergy”. Diese neue Technologie ist lithiumfrei, kobaltfrei, graphitfrei und kupferfrei. Knappe Rohstoffe und Lieferkettenprobleme könnten damit eingedämmt werden.

Laut den Forschenden liegen die Produktionskosten um ca. 40 % unter den Kosten für Li-Ionen-Batterien. Die Hauptbestandteile der Cerenergy-Batterie sind Kochsalz bzw. Na/NiCl2- und Na/S-Batterien. Die neu entwickelten Cerenergy ACB60-Akkupacks sollen eine längere Lebensdauer haben und die gespeicherte Energie über einen längeren Zeitraum liefern können.

CATL – chinesischer Hersteller von Natrium-Ionen(Na-Ionen)-Batterien (Produktion ab 2023)

2023 soll der chinesische Hersteller Contemporary Amperex Technology (CATL) eine neue Na-Ionen-Batterie vorstellen. Na-Batterien sollen zuerst Bleibatterien in Verbrenner-Autos ersetzen, mittel- oder langfristig aber auch in E-Autos zum Zug kommen. Diese Batterietechnologie besticht durch eine sehr schnelle Ladefähigkeit und Kompatibilität, was für E-Autos wichtig ist. CATL entwickelte außerdem eine Verbindung aus Li-Ionen- und Na-Ionen-Zellen. Sie eignet sich für die Cell-to-Pack-Technologie des Herstellers und kann ohne Batteriemodule in E-Autos eingesetzt werden.

Aluminium-Schwefel-Batterie (Massachusetts Institute of Technology (MIT), USA)

Ein internationales Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA entwickelte die Aluminium-Schwefel-Batterietechnologie. Zur Energiespeicherung dient neben Aluminium und Schwefel auch Chloraluminat-Salz, das als Isolationsmaterial fungiert. Zahlreiche Testversuche ergaben eine hohe Ladegeschwindigkeit dieser Batterietechnologie. Zudem stehen die Kosten bei 1/6 der Kosten von Li-Ionen-Batterien. Der größte Vorteil wäre aber: keine Brandgefahr.

Fazit

Ich finde, dass wir in puncto Nachhaltigkeit von Batteriesystemen schon sehr weit gekommen sind. Vergleiche ich die Ressourcengewinnung und die Recyclingtechniken jetzt, mit jenen von vor ein paar Jahren bzw. Jahrzenten, konnte sich die Industrie sehr weiterentwickeln. In Sachen Zellaufbau und Zellchemie haben wir einen sehr hohen Standard an Sicherheit und Leistungsfähigkeit erreicht. In Zukunft brauchen wir einen Mix aus verschiedenen Batterietechnologien damit wir für jede Anwendung eine passende Lösung anbieten können.

Zusammengefasst

Batteriesysteme werden immer nachhaltiger.
Es gibt 3 verschiedene Bauformen: zylindrisch, prismatisch und pouch.
Aktuell dominieren Li-Ionen-Batterie und darunter besonders: NMC-, NMA- und LFP-Zellchemien.
Li-Ionen-Alternativen werden immer wichtiger.

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