Schwerpunkte

Vom Lithium-Ion zu neuen Technologien

Batteriesystem als Schlüsselelement der Elektromobilität

06. April 2020, 16:30 Uhr   |  Stefanie Eckardt

Batteriesystem als Schlüsselelement der Elektromobilität
© Daimler

Prof. Dr. Dr. Andreas Hintennach erklärt als Leiter der Batteriezellforschung bei Daimler er, welche Zukunftstechnologien eine Chance für die Mobiliät sind.

Das Batteriesystem ist die vielleicht entscheidendste Baugruppe für batterieelektrische Fahrzeuge. Neben einer möglichst hohen Energiedichte sind Aspekte wie Sicherheit, Gewicht und Nachhaltigkeit maßgeblich. Doch welche Zukunftstechnologien werden tatsächlich eine Chance haben? Das zeigt Daimler.

Das Batteriesystem ist ein Schlüsselelement der Elektromobilität. Bei Daimler befassen sich tagtäglich Experten verschiedener Disziplinen von der Grundlagenforschung bis zur Produktionsreife mit allen Aspekten dieser Speichertechnologie. Dabei sind die Anforderungen komplex, und weichen je nach Anwendung voneinander ab. Denn 48-Volt-Mild-Hybride, Plug-in-Hybride oder rein elektrische Antriebsstränge erfordern unterschiedliche Schwerpunkte bei der Entwicklung. Um bei diesem heiß diskutierten Thema den Überblick zu bewahren, gab Prof. Dr. Dr. Andreas Hintennach, der bei Daimler die Batteriezellforschung leitet, bei einem digitalen Roundtable Einblicke in technische Grundlagen sowie Entwicklungs- und Forschungsziele des Automobilherstellers.

Professor Hintennach, Sie arbeiten an der Erforschung und Entwicklung von Batterien. Wie geht Mercedes-Benz dieses Thema an?

Die Batterietechnologie ist eine Schlüsselkomponente der Elektromobilität und kein Standardprodukt, sondern ein integraler Bestandteil der Fahrzeugarchitektur. Darum decken wir alle Phasen von der Grundlagenforschung bis hin zur Produktionsreife ab. Zu unseren Aktivitäten gehören die kontinuierliche Optimierung der aktuellen Generation von Li‑Ionen-Akkusystemen, die Weiterentwicklung von auf dem Weltmarkt gekauften Zellen und die Forschung an Batteriesystemen der nächsten Generation. Aber natürlich geht es bei Batterien für Elektrofahrzeuge noch um mehr. Wir arbeiten auch am Batterie-Management-System, bei dem es sich um einen komplexen Rechner handelt, den man immer verbessern kann. Wärmemanagement ist ebenfalls ein wichtiges Thema. Es ist von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer und Leistung des Batteriepacks. Man muss den Mechanismus der Technologien wirklich gut verstehen, um die richtigen Entscheidungen treffen zu können.

Wo liegt momentan Ihr Schwerpunkt?

Während unser EQC Modell in die Märkte eingeführt wird, ebnen wir bereits den Weg für neue Elektrofahrzeuge. Lithium-Ionen-Batterien sind heute die am häufigsten verwendeten Batterietypen in der Elektronik und in Stromern. In den kommenden Jahren wird diese Technologie weiterhin das Tempo vorgeben, aber es ist noch mehr zu erwarten. Was die Bereiche Forschung und Entwicklung angeht, befolgen wir mehrere spezifische Leitprinzipien. Wir arbeiten fortlaufend an Alternativen, die über die Möglichkeiten von Li-Ionen-Batterien hinausgehen – nicht zuletzt hinsichtlich der Energiedichte und der Ladezeiten, aber auch mit Blick auf die Nachhaltigkeit. Beispielsweise haben wir im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung entlang der gesamten Wertschöpfungskette eine Nachhaltigkeitspartnerschaft mit Farasis Energy (Ganzhou) Co., Ltd. vereinbart. Bereits für die nächste Fahrzeuggeneration unserer Produkt- und Technologiemarke EQ soll ein Teil der Batteriezellen zu 100 Prozent mit Strom aus erneuerbaren Energien produziert werden. Unsere Kompetenzen zur technologischen Evaluierung von Werkstoffen und Zellen sowie die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten werden konsequent ausgeweitet.

Es geht also um mehr als die Erhöhung der kWh pro Batteriesatz?

Die Energiekapazität ist selbstverständlich wichtig. Aber das ist noch nicht alles: Sicherheit ist ein sehr entscheidender Faktor. Materialbedingte Änderungen könnten es ermöglichen, eine höhere Kapazität zu erzielen – allerdings zu Lasten der Sicherheit. Für uns steht dies definitiv außer Frage. Ein Mercedes-Benz muss Maßstab in Sachen Sicherheit sein, und das gilt auch für seinen Batteriesatz.

Welche Materialien kommen in der Batterie zum Einsatz?

Bei der Lithium-Ionen-Technik ist der Zellaufbau immer ähnlich, egal, ob es sich um ein Handy oder eine EV-Batterie handelt. Man hat immer zwei Metallfolien, zum Beispiel Kupfer und Aluminium. Dazwischen befinden sich mit der Kathode und der Anode die beiden Pole, zwischen denen die elektrische Reaktion stattfindet. Dazu braucht es ein reaktionsfreudiges Metall wie Lithium. Der größte Kostenfaktor entfällt auf die Zusammensetzung der Kathode, also den Positivpol der Batterie. Sie besteht aus einem Gemisch aus Nickel, Mangan und Kobalt. Auf der Anodenseite kommen Graphitpulver, Lithium, Elektrolyten und ein Separator zum Einsatz.

Batteriematerialien im Überblick

Wann kommt Silizium ins Spiel?

Silizium wird künftig das Graphitpulver weitgehend ersetzen. Dadurch können wir die Energiedichte der Batterie noch einmal um 20 bis 25 Prozent steigern. Silizium ermöglicht es uns, auf der Kathodenseite Materialien einzusetzen, die sich mit dem heute eingesetzten Graphit nicht vertragen würden. Stellen Sie sich zwei Gläser vor: Wenn Sie Wasser aus dem ersten ins zweite schütten wollen, sollte das mindestens genauso groß sein, damit nichts überläuft. Ähnlich müssen Anode und Kathode harmonieren; wir nennen das Balancierung. Silizium wird aber auch eingesetzt, um die Ladegeschwindigkeit weiter zu erhöhen.

Vor allem der Einsatz von Kobalt steht durch den menschenunwürdigen und umweltschädlichen Abbau in der Kritik. Sollte das Material nicht durch andere, weniger kritische Materialien ersetzt werden?

Genau, daran forschen wir. Bei den aktuellen Generationen von Batteriezellen konnten wir den Kobaltanteil im Aktivmaterial (Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium) von etwa einem Drittel auf weniger als 20 Prozent reduzieren. Im Labor arbeiten wir aktuell mit weniger als zehn Prozent und perspektivisch wird der Anteil weiter sinken. Es spricht auch chemisch viel dafür, möglichst ganz auf Kobalt zu verzichten. Je reduzierter die Materialmischung, desto leichter und effizienter ist auch das Recycling. Zudem sinkt der Energieaufwand in der chemischen Produktion, weil die Mischung einfacher herzustellen ist.

Was folgt auf Kobalt und andere Materialien wie Lithium?

Das sind Materialien, die sich vor allem an Mangan orientieren, einem ökologisch betrachtet unbedenklichen, leicht aufzubereitenden Rohstoff. Es gibt für Mangan bereits ein exzellentes Recycling, weil es in Form von Alkalibatterien (nicht wieder aufladbare Batterien) schon seit Jahrzehnten genutzt wird. Die Aufgabe der Forschung ist es, diesen Batterietyp aufladbar zu machen. Wir gehen davon aus, dass die Technologie in der zweiten Hälfte der 2020er Jahre marktreif sein wird. Eine weitere Alternative ist die Lithium-Schwefel-Batterie. Schwefel ist ein Abfallprodukt der Industrie, das fast nichts kostet, sehr rein ist und sich gut recyceln lässt. Es birgt große Herausforderungen in der Energiedichte, hat aber auch eine unschlagbare Ökobilanz. Bis diese Technologie für Pkw verfügbar ist, kann es aber noch Jahre dauern.

Auch Lithium steht in der Kritik. Wie kann man diesen Rohstoff ersetzen?

Die Magnesium-Schwefel-Batterie beispielsweise enthält kein Lithium. Magnesium kennen wir in Form von Kalk aus dem Alltag. Der große Vorteil: Es ist beliebig verfügbar. So besteht zum Beispiel die ganze Schwäbische Alb aus Kalk. Im Moment befinden wir uns in der Forschung allerdings noch auf dem Laborniveau.

Aktuell gibt es also keine Alternativen zur Lithium-Ionen-Batterie?

Doch, in bestimmten Anwendungsbereichen schon. Da gibt es sogar Technologien, die der Lithium-Ionen-Batterie überlegen sind. Dazu gehört die sogenannte Feststoffbatterie, die wir ab Mitte 2020 auch schon in unserem Stadtbus Mercedes-Benz eCitaro einsetzen. Die Technologie hat eine sehr hohe Lebensdauer und enthält zudem weder Kobalt noch Nickel oder Mangan. Allerdings ist sie weniger energiedicht, daher relativ groß und zudem nicht schnell aufladbar. Deshalb lässt sie sich zwar für Nutzfahrzeuge gut einsetzen, nicht aber für Pkw. Hier wird uns die Lithium-Ionen-Batterie noch einige Jahre begleiten.

Sind also Feststoffbatterien die Zukunft?

Es gibt nicht die eine Post-Lithium-Ionen-Technologie. Ob Zellen mit Festkörper-Elektrolyten, Lithium-Metall-Anoden oder Lithium-Schwefel-Systeme – alle Technologien unterscheiden sich in ihren spezifischen Materialanforderungen, ihren Anwendungen und nicht zuletzt auch in ihrem Reifegrad. Jede Technologie hat ihre Vor- und Nachteile. Die gute Nachricht lautet, dass es zahlreiche Wege gibt, die das Risiko einer möglichen Sackgasse in der Entwicklung verringern. Noch nicht gleich um die Ecke – aber auch nicht in allzu weiter Ferne – sind Batterien, bei denen die Graphitschicht der Anode durch neue Werkstoffe wie etwa Lithium-Metallfolien oder Siliziumpulver ersetzt werden kann. Beides erhöht die Energiedichte ganz erheblich. Das führt zu einer größeren Reichweite und könnte sogar das Schnellladen unterstützen. Alle Feststoffbatterien bieten große Vorteile in punkto Sicherheit, wir arbeiten jedoch noch an der Schnellladetechnologie und an einer längeren Lebensdauer, ehe wir im Hinblick auf unsere Pkw sagen können: »Das ist die Technologie, die wir jetzt auf die Straße bringen sollten.«

Und was werden die nächsten Schritte sein?

Lithium-Schwefel ist eine mögliche Alternative. Wenn wir das in heutigen Batterien eingesetzte Nickel und Kobalt durch Schwefel ersetzen, könnten wir die Nachhaltigkeit wesentlich erhöhen. Die Energiedichte bietet ebenfalls großes Potenzial, aber die Lebensdauer reicht noch nicht aus, und es wird noch eine Weile dauern, bis in diesem Bereich ein Durchbruch erreicht wird. Lithium-Luft-Batterien enthalten tatsächlich nur Lithium. Der Rest – also der Sauerstoff – kommt einfach aus der Luft. Chemisch gesehen ist es ein ähnliches Konzept, wie wir es in der Brennstoffzelle haben, wo wir Wasserstoff verwenden. Die Energiedichte wäre herausragend – aber diese Technologie liegt noch in weiter Ferne.

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