Batterietechnologie

Weltweit wird derzeit intensiv an evolutionären Verbesserungen sowie neuen Technologien auf Zellebene mit noch weiter erhöhter Energie sowie an Lösungen für Brennstoffzellentechnologien gearbeitet. Bei den neuen Ansätzen sind die Feststoffbatteriezellen der vielversprechendste Ansatz, allerdings ist hier nicht klar vorhersagbar, wann der Durchbruch in der Entwicklung und Industrialisierung erfolgt, denn die neue Technologie muss ja kostengünstig ­produziert werden können. In diesem Zusammenhang sollte zudem als einer der ersten Schritte der Bau entsprechender Fabriken im großen Maßstab erfolgen. Insofern sehen auch wir, dass ­frühestens 2025 mit kommerziell verfügbaren sprunghaften Innovationen in diesem Batteriesektor zu rechnen ist. Und ist die Solid-State-Technik erst einmal marktreif, müssen vermutlich komplett neue Fertigungsverfahren etabliert werden. Bis dahin wird aber auch die konventionelle Li-Ionen-Batterietechnologie weiterentwickelt werden, sodass die Vorteile der Festkörperbatterie zu Beginn überschaubar sein dürften. Li-Ionen-Batterien werden daher noch sehr lange eine harte Konkurrenz für Festkörperbatterien sein – und sind ihnen allein durch die bereits getätigten Investitionen in eine etablierte Lieferstruktur und den Ausbau der Giga-Factorys einen Schritt voraus. Im Vergleich zu den heute in Produktion befindlichen Nutzfahrzeugbatterien werden wir in den kommenden Jahren die Energiemenge bei fast gleichem Gewicht und gleicher Größe schrittweise verdoppeln. So können beispielsweise mit dem ab 2021 für einen Großkunden in Serie gehenden AKASystem CYC, unserer dritten Batteriesystemgeneration, vollelektrische Stadt- sowie Reisebusse je nach Fahrzeuggröße mit Batteriesystemkapazitäten zwischen 600 und 1.000 Kilowattstunden (kWh) ausgestattet werden.

Für Akasol ist entscheidend, dass sich auch mit heutiger Technik bereits viele Anwendungen sinnvoll mit elektrischen Antrieben betreiben lassen, die bis vor Kurzem noch dem Verbrennungsmotor vorenthalten waren. Als Systemlieferant beschäftigen wir uns mit den meisten wesentlichen Zellchemiealternativen, um hier bei technologischen Durchbrüchen rechtzeitig auch mit neuen applikationsgerechten Batteriesystemen am Markt präsent zu sein. Li-Schwefel- oder Li-Luft-Zellen stehen jedoch noch vor erheblichen technischen Herausforderungen, die in der Grundlagenforschung erst noch gelöst werden müssen – zum Beispiel im Hinblick auf die Lebensdauer.

Wenn man sich die Geschichte der Lithium-Ionen-Batterien anschaut, dann sind die ersten kommerziellen Zellen Anfang der 90er entstanden. Bis heute hat man fast 30 Jahre für die Industrialisierung gebraucht und die Technologie ist auch noch nicht am Ende. Wir erwarten für die Zukunft alle drei bis vier Jahre Effizienzsprünge im zweistelligen Prozentbereich, wovon alle elektrischen Mobilitätsanwendungen profitieren werden. Wenn Sie aber von den radikal neuen Batterietechnologien reden, dann glaube ich, dass es eher Jahrzehnte als Jahre dauern wird, bis wir diese in der Serienproduktion sehen. Das sind bisher überwiegend reine Laboranwendungen.

Die Sprünge in der Batteriekapazität zwischen Generation 1, Generation 2 sowie der Generation 3 basieren auf evolutionären Entwicklungen im Bereich Zellchemie, Zellaufbau, Modul- und System­aufbau. Die Li-Ionen-Chemie NMC wird immer weiter optimiert (nickelreiche Kathode bei gleichzeitiger Reduktion von Kobalt). Auf der Anodenseite wird dem Grafit Silizium beigemischt und man nutzt den verfügbaren Bauraum der Zelle noch effizienter. Auf Modul- und Systemebene gelingt es ebenfalls, den System-Overhead bei gleicher Funktionalität immer weiter zu reduzieren. In der Summe erreichen wir eine volume­trische Verdoppelung der Kapazität zwischen der heutigen Generation 1 und Generation 3 im Jahr 2021.

Die Zellchemie ist der wichtigste Faktor, aber auch das Zell- und Moduldesign sowie das Packdesign spielen eine wichtige Rolle.

In der Summe erreichen wir eine volumetrische und gravimetrische Verdoppelung der Kapazität zwischen Generation 1 und Generation 3. Damit erfüllen wir die steigenden Reichweitenanforderungen, wodurch weniger Ladeinfrastruktur installiert werden muss. Bei der Zyklusfestigkeit kristallisieren sich ebenfalls hervorragende Lösungen heraus. Allerdings sind nicht in jeder Batterie alle Aspekte universell optimierbar: Eine Batterie mit extremer Zyklusfestigkeit und höchster Schnellladerate hat nicht die höchstmögliche Energiedichte. Daher haben wir unser Produktportfolio entsprechend diversifiziert, um den verschiedenen Anforderungen unserer Kunden gerecht zu werden.

Zu unseren Kunden gehören unter anderem zwei der weltweit größten Nutzfahrzeughersteller, die wir seit Ende 2018 in Serie beliefern. Unter anderem werden unsere Seriensysteme im eCitaro von Mercedes-Benz eingesetzt. Darüber hinaus beliefern wir auch kleinere Hersteller in Europa, Nordamerika und Asien, die unsere Systeme in Kleinserie, im Flottenbetrieb oder für Prototypen einsetzen.

Bei Bussen und Lkw gibt es sehr große Synergien und Ähnlichkeiten, sodass in diesen Fahrzeugen Batterien im Prinzip universell eingesetzt werden können. Bei den Transportern gibt es zum Teil andere Einbauanforderungen und derzeit andere Hochvolt-Spannungsbereiche. Diese sind mit 400 V vergleichbar mit den in den Pkw verbauten Spannungsbereichen, während Bus- und Truckbatterien im Bereich von bis zu 800 V liegen.

Ja, ich gehe tatsächlich davon aus, dass der batteriebetriebene Elektroantrieb sich langfristig durchsetzen wird. Gerade was die Reichweitenanforderungen im Busbereich angeht, so können diese mit den neuesten Batteriegenerationen abgedeckt werden. Technologisch offen ist derzeit nur noch die echte Langstreckenapplikation für Reisebusse und Langstrecken-Trucks. In diesem Bereich sind für einen Durchbruch weitere Evolutionssprünge bei der Batterie erforderlich – oder Lösungen auf der Basis von Brennstoffzellen in Kombination mit einer Hybridbatterie, wie wir sie gerade für einen großen asiatischen Nutzfahrzeughersteller im Flottenbetrieb ausliefern.

Es gibt Initiativen der OEMs, diese Kompetenz und Produktionskapazitäten ins eigene Haus zu holen. Viele OEMs stellen sich aber auch darauf ein, dass Zellen oder Systeme von lokal agierenden oder globalen Partnern gefertigt werden. Es ist zu erwarten, dass sich hier langfristig ein Mischszenario einstellt, in dem die OEMs teilweise selbst produzieren sowie parallel dazu eine effiziente Zuliefererlandschaft entsteht.