Das Leichtmetall Lithium ist nach wie vor das Schlüsselelement in fast allen gefertigten Batterien für Elektromobile. Ein genauerer Blick auf die verwendeten Materialien für den Pluspol, die Kathode, offenbart die Dynamik in der Entwicklung. Noch vor fünf Jahren dominierten Kathoden, die neben Lithium aus Nickel, Mangan und Kobalt – kurz NMC – bestehen. Zahlreiche Varianten von NMC111 über NMC622 bis NMC811 und NMC900 wurden entwickelt. Die Zahlen zeigen, dass die Kathoden immer weniger Mangan und teures Kobalt, dafür aber immer mehr Nickel enthalten. Das senkt Kosten und steigert die Speicherkapazität. Parallel behaupten sich noch Elektroden aus Nickel, Kobalt und Aluminium – kurz NCA – am Markt, doch deren Anteil hat sich von 21 Prozent (2021) auf aktuell 12 Prozent halbiert.
Shootingstar Lithiumeisenphosphat
Der Shootingstar unter den Batteriematerialien für die Kathoden ist Lithiumeisenphosphat und als Variante Lithium-Mangan-Eisenphosphat, kurz LFP und LMFP. „Dass LFP so stark wird, hat vor zehn Jahren wegen der damals geringen Energiedichte im Vergleich zu anderen Materialien niemand gedacht“, sagt Patrick Plötz, Leiter Energiewirtschaft am Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe. Zu bescheiden waren seinerzeit die Speicherkapazitäten. Doch heute erreichen LFP-Batterien ganz ohne Kobalt und Nickel gut 400, LMFP-Batterien gar bis zu 550 Wattstunden pro Liter (Wh/l). Dieser Wert für die Energiedichte ist von zentraler Bedeutung: Je höher er liegt, desto weniger Platz braucht die Batterie. NCA- und NMC-Batterien liegen mit 600 bis 750 Wh/l zwar darüber, kosten dafür aber rund ein Drittel mehr als die LFP- und LMFP-Akkus.
Anoden mit Silizium?
Die Vielfalt an Optionen bei der Kathode fehlt beim Minuspol, der Anode. Meist basiert sie auf Kohlenstoff, genauer auf Grafit. Darin lagern sich Lithiumionen beim Aufladen ein und wandern beim Entladen wieder zurück zur Kathode. Mit Silizium lässt sich bei Prototypen die Energiedichte um mehr als 40 Prozent steigern, also bis zu 1000 Wattstunden pro Liter statt nur 700. Leider gibt es dabei ein Problem. Das Silizium „atmet“, es dehnt sich beim Aufladen auf das Vierfache seines Volumens aus. Stabile Batterien lassen sich damit nicht produzieren. Weltweit wird derzeit an Lösungen dieses Problems getüftelt. Mit nanostrukturierten Siliziumeinlagerungen und Mischanoden aus Silizium und Grafit bekommen die Entwickler die unerwünschte Ausdehnung allmählich in den Griff. Laut Battery Monitor könnten Anoden mit Silizium schon bald in die Serienfertigung gelangen.
Natrium statt Lithium
„Auch in Zukunft wird es immer zu Verschiebungen bei den Materialien kommen“, sagt Fraunhofer-Forscher Plötz. Neue Varianten bereichern den Markt, ältere Varianten fallen raus. Ein relativ neuer Batterietyp verzichtet sogar komplett auf das etablierte Lithium. Der Ersatz: Natrium. Ebenso wie Lithium ist es ein Alkalimetall. Natrium hat den Vorteil, dass es weltweit in großen Mengen vorkommt, als Natriumchlorid – vulgo: Kochsalz – in Salzstöcken oder schlicht gelöst im Meerwasser. Nachschubprobleme oder gar Abhängigkeiten gäbe es schlicht nicht, zudem sind Natriumsalze sehr günstig.
Aktuell lernen Kondrakov und seine Partner viel dazu. So sind Natrium-Ionen-Batterien nicht nur potenziell günstig, sie bieten noch einige weitere Vorteile gegenüber der auf Lithium basierenden Batteriechemie. So zeigen Natrium-Ionen-Batterien eine deutlich höhere Stabilität bei Kälte. „Bis minus 40 Grad liefern die immer noch 90 Prozent der Leistung“, sagt Kondrakov. Dadurch sind diese Stromspeicher beispielsweise für Elektromobile geeignet, die in Regionen mit strengem Winterfrost fahren. Zudem kann für beide Elektroden – Pluspol und Minuspol – Aluminium anstelle von Kupfer als leitfähiges Trägermetall genutzt werden. Aluminium ist deutlich günstiger und verfügbarer als Kupfer. So droht bei der enormen Anzahl an benötigten Batterien in den kommenden Jahrzehnten kein Materialengpass. Nicht zuletzt darf man Natrium-Ionen-Batterien im Unterschied zu Lithium-Ionen-Systemen komplett entladen. Das erhöht die Sicherheit beim Transport. So ist es nicht unwahrscheinlich, dass die Produktion von Natrium-Ionen-Batterien in den kommenden Jahren sehr stark steigen wird. Laut Studie von Fraunhofer FFB könnten diese Stromspeicher schon 2030 einen nennenswerten Marktanteil erreichen, 2035 ein Fünftel und 2040 sogar mehr als ein Drittel.
Wann kommt die Festkörperbatterie?
Trotz vieler Ankündigungen gibt es offenbar Probleme. „Es sind noch immer große Hürden zu überwinden, um konzeptionell die Energiedichte gegenüber konventionellen Lithium-Ionen-Batterien zu steigern und die Lebensdauer bei gleichzeitig sicherem Betrieb zu verbessern. Auch muss das Schnellladeverhalten noch weiter verbessert werden“, sagt Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Erst dann gehe es um Fragen einer umfassenden Nachhaltigkeitsbetrachtung und einer kostengünstigen Produktion. Entgegen vollmundiger Ankündigungen werde es noch einige Jahre dauern bis zu einer Markteinführung. „Dabei ist noch lange nicht entschieden, ob dies auch gelingen wird“, sagt Ehrenberg. Die Technologie sei nach wie vor in Entwicklung und verspreche zwar durchaus Verbesserungen, die aber noch nicht eingelöst sind.
Noch weiter von einer Serienfertigung entfernt sind andere Ansätze, die noch höhere Speicherkapazitäten, schnellere Ladezeiten und größere Sicherheit versprechen. Das Spektrum reicht von Lithium-Schwefel-, Sauerstoff- und Aluminium-Ionen-Batterien bis zu Systemen aus Zinnschäumen und Metall-Luft-Batterien. Die Vielfalt der Methoden ist fast unüberschaubar groß, aber meist befinden sie sich auf einem sehr frühen Entwicklungsstand mit Prototypen im Labormaßstab.
Was sich ebenfalls diversifiziert: die Produktionsstätten. „Unsere Simulationen zeigen, dass Europa bis 2030 seinen Bedarf mindestens zur Hälfte selbst decken wird“, sagt Fraunhofer-Forscher Plötz. Die Hälfte dieser Fabriken könnten europäischen Unternehmen gehören. Denkbar sei sogar, dass Europa ab 2030 bis zu 90 Prozent seines Jahresbedarfs an Batterien selbst produzieren könnte. Das wären Batterien mit einer Kapazität von bis zu einer Terawattstunde, also einer Milliarde Kilowattstunden. Jedes Jahr, Tendenz steigend. Unwahrscheinlich: ja. Unmöglich: nein.