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Metzler meets Fraunhofer - 28.6.2022

„Feststoffbatterien gelten als heiliger Gral der Batterieentwicklung“

Stromspeicher sind ein wichtiger Baustein, um das Ziel „Net Zero“ bis 2050 in Europa zu erreichen. Intensiv wird in viele Richtungen weltweit geforscht. Insbesondere Feststoffbatterien bieten zahlreiche Vorteile. Wann diese Batterien marktreif sind und wo sie am besten zum Einsatz kommen, darüber sprach Guido Hoymann, Head of Equity Research Metzler Capital Markets, mit Dr.-Ing. Mareike Partsch, Abteilungsleiterin für Mobile Energiespeicher und Elektrochemie am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS.

Hoymann: Die Energiewende schreitet mit großen Schritten voran, das Speicherproblem ist aber noch nicht zufriedenstellend gelöst. Klar ist, dass sowohl stationäre als auch mobile Speicher gebraucht werden und in ihrer Speicherleistung verbessert werden müssen. Jedoch sind die Anforderungen an fest installierte und mobile Speicher äußerst unterschiedlich – welcher Speicher eignet sich wofür am besten?

Partsch: Stationäre Speicher decken Speicherklassen von 10 kWh bis zu mehreren GWh ab mit sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Lade- und Entladedynamik. Für mobile Speicher wiederum ist es wichtig, dass sie sicher sind und sowohl eine sehr hohe Energie- als auch Leistungsdichte haben. Letzteres ist der Grund dafür, dass insbesondere Lithiumbatterien für mobile Speicher besonders wichtig sind.

Hoymann: Welche Technologien kommen in stationären Speicher zum Einsatz?

Partsch: Beispielsweise die Redox-Flow-Batterien, die bereits in der Anwendung sind, oder auch Hochtemperatur-Batteriespeicher wie Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien.

Hoymann: Insbesondere Autohersteller forschen weltweit an der Feststoffbatterie, deren Technologie vielversprechend klingt. Wo ließe sie sich am sinnvollsten einsetzen?

Partsch: Feststoffbatterien lassen sich ganz besonders dort einsetzen, wo hohe Energiedichte und die verbesserte Sicherheit besonders wichtig sind, zum Beispiel im Fahrzeugbereich.

Hoymann: Wie kommt diese höhere Sicherheit der Feststoffbatterie zustande?

Partsch: Diese Eigenschaft resultiert aus dem Aufbau von Feststoffbatterien. Hinsichtlich der genutzten Elektrodenmaterialien sind sie sehr vergleichbar mit heutigen Lithium-Batterien – es werden ähnliche Speichermaterialien verwendet. Der Unterschied besteht vor allen Dingen in der Wahl der Elektrolyten, diese sind – wie der Name schon sagt – Feststoffe.

Das wesentliche Ziel ist es, durch den Einsatz dieser festen Elektrolyte die Batterien noch sicherer zu machen.
Dr.-Ing. Mareike Partsch

Hoymann: Um welche Elektrolyte geht es da?

Partsch: Das ist sehr unterschiedlich. Beispielsweise polymere Elektrolyte oder anorganische Elektrolyte, basierend auf sulfidischen, oxidischen oder phosphatischen Keramiken. Das wesentliche Ziel ist es, durch den Einsatz dieser festen Elektrolyte die Batterien noch sicherer zu machen. Darüber hinaus ermöglichen feste Elektrolyte auch den Einsatz von sogenannten Lithium-Anoden, die dazu führen, dass sich insbesondere die Energiedichte auf Zellebene noch einmal steigern lässt.

Hoymann: Wo liegen die größten Hürden bei der Entwicklung einer marktreifen Feststoffbatterie – auch unter den Gesichtspunkten Verfügbarkeit der Rohstoffe und Recyclingfähigkeit?

Partsch: Für Feststoffbatterien sind die Herausforderungen hinsichtlich der Rohstoffverfügbarkeit vergleichbar mit denen heutiger Lithium-Ionen-Batterien. Es werden ähnliche Materialien und Rohstoffe eingesetzt, sodass auch hier deren Verfügbarkeit berücksichtigt werden muss. Ein Schwerpunkt der Entwicklung ist es, besonders kritische Rohstoffe zu substituieren. Und natürlich müssen die neu entwickelten Elektrolytmaterialien zunächst einmal hergestellt und in entsprechendem Maßstab für eine zukünftige Markteinführung verfügbar gemacht werden.

Eine erhebliche Herausforderung ist es, eine stoffschlüssige, langzeitstabile Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode herzustellen, dazu werden geeignete Materialien und Fertigungsprozesse benötigt.
Dr.-Ing. Mareike Partsch

Hoymann: Das heißt, sie nehmen auch die Fertigung in den Blick?

Partsch: Ja, aktuell beschäftigt uns, wie zukünftige Fertigungsprozesse für Feststoffbatterien aussehen können. Zum Teil müssen dafür andere Technologien eingesetzt werden als bei den heutigen Lithium-Ionen-Batterien. Eine erhebliche Herausforderung ist es, eine stoffschlüssige, langzeitstabile Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode herzustellen, dazu werden geeignete Materialien und Fertigungsprozesse benötigt.

Hoymann: Wie sieht es mit der Recyclingfähigkeit aus?

Partsch: Mit der Frage der Reparierbarkeit, der Kreislaufführung von Komponenten und des Recyclings von Rohstoffen beschäftigen wir uns intensiv. Beispielsweise rechnen wir damit, dass eine Trennung einzelner Zellkomponenten nur noch eingeschränkt möglich sein wird, da Lithium-Metall oder polymere Elektrolyte verkleben und schwer lösbar sind. Keramische Elektrolyte führen vermutlich zu einer verstärkten Abnutzung von mechanischen Aufbereitungsanlagen. Wir müssen uns deshalb damit beschäftigen, wie eine Auftrennung der einzelnen Komponenten und Stoffe zuerst in mechanischen Prozessen und danach in hydrometallurgischen Aufbereitungsschritten wirtschaftlich umgesetzt werden kann.

Hoymann: Wann ist diese Technologie voraussichtlich marktreif?

Partsch: Die Technologiereife der Feststoffbatterien unterscheidet sich sehr stark hinsichtlich des eingesetzten Elektrolyten. In den elektrisch betriebenen Bolloré Bluecars sind zum Beispiel schon heute Batterien mit polymeren Elektrolyten unterwegs. Unternehmen wie Nissan, Volkswagen oder Toyota, die auf anorganische Elektrolyte setzen, haben für die kommenden zwei bis vier Jahre den Start ihrer Pilotfertigung angekündigt und wollen ab 2028 bis 2030 in die Serie einsteigen. Darüber hinaus kann ich mir gut vorstellen, dass Feststoffbatterien auch für andere Märkte interessant sind. Zum Beispiel für Aviation, wo die besonderen Eigenschaften, also die erhöhte Sicherheit und die hohe Energiedichte, vorteilhaft sind.

In Deutschland und Europa wird eine exzellente Forschung geleistet, die mit nationalen und internationalen Partnern ausgezeichnet vernetzt ist.
Dr.-Ing. Mareike Partsch

Hoymann: Wer hat bei der Entwicklung weltweit derzeit die Nase vorn? Wo steht Deutschland, wo China?

Partsch: Feststoffbatterien gelten als heiliger Gral der Batterieentwicklung. Das heißt, überall auf der Welt arbeiten Arbeitsgruppen an der Lösung der damit verbundenen Aufgaben. In Deutschland und Europa wird eine exzellente Forschung geleistet, die mit nationalen und internationalen Partnern ausgezeichnet vernetzt ist. In den USA gibt es inzwischen viele junge Unternehmen wie QuantumScape, Solid Power oder die SidhuLabs, um nur einige zu nennen, die die Kommerzialisierung von Feststoffbatterien vorantreiben. Insbesondere deutsche OEMs sind an einigen davon beteiligt. In Asien sind es Unternehmen wie Nissan, Toyota, Samsung oder ProLogium, die den Durchbruch der Technologie für die kommenden Jahre angekündigt haben. Ich bin auch gespannt, wer am Ende das Rennen macht!

Hoymann: Konkurrieren künftig Batterien mit Wasserstoff als Stromspeicher?

Partsch: Die Frage ‚Batterien oder Wasserstoff als Stromspeicher?‘ höre ich häufig. Ich glaube, es wird für beide Technologien die passenden Anwendungen geben. Im Übrigen haben auch Batteriespeicher wie Lithium-Ionen, Redox-Flow- oder Hochtemperatur-Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien sehr unterschiedliche Charakteristika. Das passt zu den sehr unterschiedlichen Anforderungen an stationäre und mobile Speicher, wie wir sie im Zuge des Umbaus unserer Energieversorgung hin zu erneuerbaren Energiequellen benötigen werden.

Hoymann: Wann kommt sinnvollerweise das eine, wann das andere zum Einsatz?

Partsch: In Verbindung mit Photovoltaik- oder Windanlagen ist eine direkte Speicherung der elektrischen Energie in Batterien wegen der geringen Konversionsverluste und des hohen Wirkungsgrades sehr sinnvoll, allerdings ist die Energiedichte von Batterien im Vergleich zu Wasserstoffspeichern deutlich geringer. Wogegen mit Wasserstoffnutzung Konversionsverluste um 60 Prozent verbunden sind. Batterien sind vereinfacht gesagt für mobile Speicher mit geringerer Reichweite und in stationären Applikationen sinnvoll, während Wasserstoff für die Speicherung von Überschussstrom und als mobiler Speicher in schweren Fahrzeugen mit hoher Reichweite interessant ist.

Hoymann: Stichwort smarte Energienutzung – inwieweit wird bei der Entwicklung von Batterietechnologien auch berücksichtigt, dass Batterien und Speicher mit Solar- und Windanlagen sowie mit Endgeräten kommunizieren könnten, um den erzeugten Strom smart zu speichern und so effizienter nutzen? Gibt es „intelligente“ Speicher?

Partsch: Intelligenz in die Speicherkomponenten zu bringen, ist eine wichtige Aufgabe. In der Arbeit meines Teams geht es vor allem um die Intelligenz in der Zelle, die es ermöglicht, Gesundheitszustand und Fehler rechtzeitig festzustellen. Aber auch die Kopplung der Speicher mit Solar- und Windanlagen und den unterschiedlichen Verbrauchern wird zunehmend intelligent … es gibt sie also, die intelligenten Speicher!

Hoymann: Vielen Dank für das Gespräch!

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