Die Welt der Batterieversorgung erlebt eine rasante Transformation, getrieben von innovativen Trends und Entwicklungen. Dazu gehören unter anderem die nachhaltige Beschaffung von Rohmaterialien bis hin zu neuen Zellchemien, Designoptimierungen, Recycling sowie die Inklusion erneuerbarer Energien – die Branche steht vor vielseitigen Herausforderungen und Möglichkeiten.
Rohmaterialien: Nachhaltigkeit und Alternativen
Nachhaltige, umweltschonende und ethisch gewonnene Rohmaterialien, die verfügbar und preislich attraktiv sind, stehen im Fokus in der Batterieversorgung. Unternehmen investieren verstärkt in Forschung und Entwicklung, um beispielsweise neue Anoden- und Kathodenmaterialien zu identifizieren.
Der Trend in der Anode geht von Grafit zu Silizium bzw. zu einer Anode, die aus einem Silizium- und Grafitgemisch besteht. Silizium hat eine höhere spezifische Kapazität und kann daher mehr Energie speichern als Grafit. Die höhere Energiedichte führt zu einem längeren Batterielebenszyklus.
Ein weiterer Vorteil von Silizium-Anoden ist ihre hohe Leitfähigkeit, die zu einer höheren Effizienz der Batterie führt. Hinzu kommt, dass Silizium relativ günstig und leicht verfügbar ist. Auf der anderen Seite kann Silizium im Laufe der Lade- und Entladezyklen expandieren und kontrahieren und erfordert daher ein angepasstes Batteriedesign. Auch bei Kathodenmaterialien gibt es verschiedene Entwicklungen.
Das Potential der Lithium-Ionen-Batterie ist noch nicht ausgeschöpft und bietet für die nächsten Jahre entsprechende Entwicklungsmöglichkeiten – sie wird jedoch auch an ein gewisses Limit stoßen. Neue Entwicklungen sind deshalb gefragt. Farasis Energy hat im letzten Jahr einen Auftrag in Höhe von 2,6 Mio. USD vom United States Advanced Battery Consortium LLC (USABC) zur Entwicklung von Batterietechnologien erhalten, die über Lithium-Ionen hinausgehen. Ziel des Programms ist, die Entwicklung einer Anode auf Lithium-Metall-Basis mit einer nickelhaltigen Kathode und einer Flüssig-Elektrolyt-Batterietechnologie für EV-Anwendungen.
Zellchemie: Vielfalt als Schlüssel für die Zukunft
Der Trend, unterschiedliche Chemien für verschiedene Anwendungen zu nutzen, setzt sich fort. Das hängt unter anderem mit der Verfügbarkeit und den Preisen einiger Rohstoffe zusammen. Fakt ist, dass die Zahl der unterschiedlichen Zellchemien weiterwachsen wird und künftig mehrere Varianten nebeneinander bestehen werden, allein, um dem hohen Bedarf gerecht werden zu können.
In Europa sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit einer Kathode aus Nickel, Mangan und Kobalt (NMC) weit verbreitet. Diese Batterien liefern eine hohe Energiedichte und schnelle Laderaten. Dafür enthalten sie kritische Rohstoffe.
Lithium Eisenphosphat (LFP) basierte Batterien verzichten auf diese kritischen Rohstoffe, können in Sachen Reichweite und Ladeleistung nicht mit NMC-Batterien mithalten. Dafür sind diese Batterien günstiger.
Natrium-Ionen-Akkus sind ebenfalls ein Trend und wurden bereits erfolgreich eingesetzt. Ende letzten Jahres wurde im Werk von JMEV in Nanchang, Provinz Jiangxi (China), die Markteinführung des weltweit ersten Elektrofahrzeugs (EV) gefeiert, das mit Natrium-Ionen-Batterien von Farasis Energy betrieben wird. Der JMEV EV3 (Youth Edition) setzt als weltweit erstes Elektroauto der A00-Klasse mit den innovativen Batterien einen neuen Standard und fokussiert auf die Bedürfnisse von Berufspendlern und Personen, die vorwiegend in der Stadt unterwegs sind. Natrium-Ionen-Akkus setzen statt Lithium in der Elektrode Natrium ein, ein unkritischer und gut verfügbarer Rohstoff. Die Energiedichte ist – Stand heute – geringer als bei Lithium-Nickel-Akkus oder Lithium-Eisenphosphat-Akkus.
Design: Steigerung der gravimetrischen und der volumetrischen Energiedichte
Ein weiterer Trend ist die Optimierung des Designs, um überflüssiges Material in der Batterie zu reduzieren. Dazu gehören z. B. Kabel, Verbindungselemente, Kunststoffteile etc. Stattdessen versucht man, mehr energiespeichernde Aktivmaterialien in die Batterie zu integrieren, denn: Je höher die Energiedichte, umso größer die Reichweite. Hier gibt es verschiedene Ansätze wie zum Beispiel „Cell-to-Pack“ oder „Cell-to-Chassis“.
Bei der „Cell-to-Pack“-Methode wird die grundlegende dreigliedrige durch eine zweigliedrige Struktur ersetzt. Die dreigliedrige Struktur besteht aus Zellen, die in Module eingebaut, welche wiederum in Packs verbaut werden. Bei der zweigliedrigen Struktur kann die Modulebene durch die Integration der Batteriezellen direkt in das Pack-Gehäuse ersetzt werden.
Dieser Ansatz führt zu einer Erhöhung der gravimetrischen als auch der volumetrischen Energiedichte von Batterien und zu Effizienzsteigerungen von bis zu 20 Prozent. Somit wird eine schnellere Markteinführung bei gleichzeitiger Reduzierung der Anzahl der benötigten Komponenten ermöglicht.
Recycling und Inklusion erneuerbarer Energien: Eine nachhaltige Synergie
Recycling und die Inklusion erneuerbarer Energien wird eine Grundvoraussetzung werden.
Die Wiederverwertung bedingt, dass es genügend Batterien und Produktionsausschuss zum Recyclen gibt. Dieser Trend wird in der Breite in den kommenden Jahren umgesetzt werden, wenn die ersten E-Autos das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben.
Die Prinzipien zum Recycling sind bekannt, jetzt gilt es, diese umzusetzen. Dafür braucht es eine ausreichende Masse an gebrauchten Batterien, um Großanlagen auszulasten. Dies ist heute noch nicht gegeben, wird aber voraussichtlich in einigen Jahren gang und gäbe sein. Wir gehen davon aus, dass mehr als 95 Prozent der Batterie wiederverwertet werden kann, abhängig vom genutzten Recyclingprozess.
Der Direct Recycling Prozess kann beispielsweise schnell und kostengünstig umgesetzt werden und bei Rückgewinnung und Wiederverwertung auf das wertvolle aktive Kathodenmaterial zurückgreifen.
Der Einsatz von erneuerbaren Energien zur Unterstützung der Batterieladung ist ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigen Energiezukunft. Die Integration von Solar- und anderen erneuerbaren Energiequellen in die Batterieversorgung schafft eine Synergie zwischen Elektrofahrzeugen und nachhaltiger Energieerzeugung. Dieser ganzheitliche Ansatz ist nicht nur ökologisch verantwortungsbewusst, sondern auch ein Beitrag zum Klimaschutz.
Andere Anwendungen: Batterien als Stationärsysteme
Batterien als Stationärsysteme spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der Energiespeicherung. Sie ermöglichen die effiziente Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Sonne und Wind, indem sie Überschussstrom speichern und bei Bedarf abgeben. Diese Systeme bieten eine flexible Lösung für die Stabilisierung des Stromnetzes und die Integration von dezentralen Energiequellen. Durch technologische Fortschritte werden Batterien immer leistungsfähiger, kostengünstiger und langlebiger, was ihre Attraktivität für verschiedene Anwendungen weiter steigert. In Bereichen wie Wohngebäuden, Gewerbe und Industrie sowie im Bereich der Stromnetze gewinnen batteriegestützte Stationärsysteme zunehmend an Bedeutung und tragen zur Realisierung einer nachhaltigen Energiezukunft bei.
Fazit: Die Batterieversorgung steht vor einschneidenden Veränderungen, getrieben von Innovationsgeist und dem Streben nach nachhaltigen Lösungen. Von der Beschaffung von Rohstoffen bis zur Integration in verschiedene Anwendungen – die Branche durchläuft einen evolutionären Prozess, der nicht nur die Technologie, sondern auch die Art und Weise, wie wir Energie nutzen, grundlegend verändern wird. Dazu wird auch der Umstieg auf E-Autos mit 800 Volt zählen, um mehr Leistung, schnellere Ladefähigkeiten und höhere Beschleunigung zu erzielen, wie derzeit mit Fahrzeugen, die größtenteils auf 400 Volt basieren.
