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Skalierungseffekte und neue Elektroden-Techniken

Lithium-Ionen-Batterien: Kosten sinken

17. Oktober 2012, 9:04 Uhr | Heinz Arnold

Dr. Wolfgang Weydanz, Siemens: »Mit Elektroden auf Basis von Graphitpartikeln mit Silizium oder anderen Metalllegierungen ließe sich die Kapazität der Zelle um 25 bis 40 Prozent steigern, die Anzahl der benötigten Zellen sänke also um bis zu ein Drittel.«

Vollautomatisierte Produktionstechniken versprechen, dass die Kosten für großformatige Lithium-Ionen-Zellen weiter deutlich sinken. Was künftig möglich sein wird, erfuhren die Teilnehmer des »International Meeting on Lithium Batteries, IMLB 2012«, das kürzlich in Korea stattfand.

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Erstens werden die Produktionskosten für große Lithium-Ionen-Batterien über die nächsten Jahre deutlich sinken, weil jetzt große Produktionslinien anlaufen. Zweitens lassen neue Techniken für den Aufbau der Elektroden einen Preis von ca. 250 €/kWh um das Jahr 2020 als realistisches erscheinen.

Heute kosten die großen Lithium-Ionen-Batterien zwischen 500 und 700 €/kWh. Allerdings liegt der Ausschuss in den zumeist relativ kleinen Fertigungslinien für Hochvolt-Batterien, wie sie im Auto oder auch als stationärer Energiespeicher Verwendung finden sollen, noch im hohen zweistelligen Prozentbereich.

Dagegen erreicht die Ausbeute der Produktion der kleinen Lithium-Ionen-Zellen, die in Hunderten von Millionen Stück pro Monat gefertigt werden, über 97 Prozent. Das zeigt, dass für die größeren Batterien über steigende Stückzahlen noch viel Potenzial für Kostenreduzierungen besteht. Erhöht sich die Automatisierung und sinkt damit u.a. der Ausschuss auf unter 10 oder sogar unter 5 Prozent, so würden die Kosten der Batterien gegenüber heute nochmals deutlich fallen. Allerdings wäre in ein paar Jahren der Boden erreicht. Über Skalierungseffekte wären dann kaum mehr weitere Kostenreduktionen zu erzielen.

Deshalb arbeiten die Forscher bereits an der nächsten und übernächsten Generation der Batterien, wie kürzlich auf dem »International Meeting on Lithium Batteries« auf der koreanischen Insel Jeju zu sehen war. Dass sich hier über 1.900 Teilnehmer trafen, zeigt, welche Aufmerksamkeit die Batterieentwicklung auf sich zieht.

Und was sich mit den Batterien unter anderem anstellen lässt, darüber konnten sich die Teilnehmer auf Jeju vor Ort einen Eindruck verschaffen: hier fließen rund 220 Mio. Dollar in den Aufbau des derzeit größten Smart Grid-Projekts, das von der Erzeugung erneuerbarer Energie, deren Verteilung durch Smart Grids über Lastmanagement bis zur Elektromobilität alle Aspekte einer intelligenten Energieversorgung abdecken soll. Es ist hier schon teilweise Realität, zum Beispiel eine gut ausgebaute öffentliche Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge. Die Insel eignet sich wegen ihrer Größe, ca. 50km Durchmesser, ideal für Elektrofahrzeuge.

Neue Elektrodenmaterialien und Elektrolyte

Viele Hersteller entwickeln derzeit mit Hochdruck neue Elektrodenmaterialien für die Lithium-Ionen-Batterien. Als vielversprechend sehen die Forscher Elektroden auf Basis von Silizium oder anderen Metalllegierungen an. In zahlreichen Vorträgen zeigten sie, wie Komposite mit Graphitpartikeln und Silizium oder weiteren Legierungen die Kapazität der negativen Batterieelektrode erhöhen können. »Damit ließe sich die Kapazität der Zelle um 25 bis 40 Prozent steigern, die Anzahl der benötigten Zellen sänke also um bis zu ein Drittel.«, erklärt Dr. Wolfgang Weydanz.

Eifrig arbeiten die Forscher auch an der Entwicklung neuer Elektrolyte. Dadurch kann die Kapazität weiter gesteigert werden, indem neue Materialien auf der positiven Elektrode mit höherer Spannung eingesetzt werden können. Damit könnten die Kosten für die Zellen weiter sinken. Wo die Preise dann tatsächlich landen, ist heute schwer abzusehen. McKinsey prognostiziert in einer kürzlich erschienenen Studie Kosten von rund 160 €/kWh im Jahr 2020 und 130 €/kWh in 2025.