Eine Fraunhofer-Studie hat die Skalierungsaktivitäten der Batterieindustrie bis 2030 betrachtet – und drei Trends analysiert. Ein Überblick.
Roadmap des Fraunhofer ISI zu Lithium-Ionen-Batterien: So stellt sich die Industrie für günstige, leistungsfähige und nachhaltige Batterien auf.
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Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) setzt seinen Wachstumskurs fort: Im Jahr 2023 könnte der globale Absatz erstmals die Marke von 1 TWh überschreiten, so das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI), das eine Roadmap zu den Industrialisierungsperspektiven von Lithium-Ionen-Batterien bis 2030 erstellt hat. Bis 2030 dürfte sich die Nachfrage auf über 3 TWh mehr als verdreifachen, so die Roadmap. Dies habe zahlreiche Auswirkungen auf die Branche, aber auch auf die Technologieentwicklung und die Anforderungen an Batterien. So würden beispielsweise die jüngsten gesetzlichen Bestimmungen bei Batterien ein Mehr an Nachhaltigkeit vorschreiben.
Und je stärker der Markt wächst, desto bedeutender wird auch die Frage nach der Produktionslokalisierung und dem Anteil an der Wertschöpfung, den Akteure und Nationen künftig haben werden. Daher hat die Roadmap den Status der LIB als kommerzialisierte Technologie untersucht und die Skalierungsaktivitäten der Industrie betrachtet. In der Studie werden insbesondere drei Trends untersucht: Die Herstellung von leistungsoptimierten Batterien, die Herstellung von besonders günstigen Batterien und die Herstellung von besonders nachhaltigen Batterien.
Trend 1: Leistungsoptimierte Batterien
Die Studienergebnisse für den ersten Trend hin zu leistungsoptimierten Batterien zeigen, so das Fraunhofer ISI, dass es in den nächsten Jahren ehrgeizige Entwicklungsziele gibt, um insbesondere bei den Parametern Energiedichte und Schnellladefähigkeit deutliche Verbesserungen zu erzielen. "Für einige Flaggschiff-Fahrzeuge sollen die Laderaten auf 4C und damit in den Bereich von 10 bis 20 Minuten Ladezeit beschleunigt werden", heißt es. Um diese Ziele zu erreichen, würde die Industrie auf Hochnickelkathoden, Siliziumanoden und neue Zell- und Packdesigns setzen, die den Platzbedarf, die thermische Kopplung und die Sicherheitseigenschaften veränderten. Auf Systemebene biete beispielsweise die 800-V-Technologie einen neuen Weg zur Verbesserung der Batterieleistung.
Trend 2: Günstige Batterien
Der zweite Trend besteht laut der Roadmap in der Senkung der Batteriekosten. Das Kostenziel auf der Ebene der Batteriepacks liege immer noch deutlich unter 100 EUR/kWh, was eine Senkung um 30 bis 50 % im Vergleich zu den heutigen Kosten bedeuten könnte. Die Industrie will dieses Ziel durch die Nutzung sowohl kobalt- als auch nickelfreier Materialien, die Standardisierung von Zellen und die Direktintegration ins Batteriepack erreichen. "Auch neue Produktionsprozesse könnten dazu beitragen, sowohl durch den Hebel der Energie- und Anlagenkosten als auch über eine Standardisierung der Fabriken selbst", heißt es. Zudem ließen sich niedrige Batteriekosten auch durch die Verlagerung von Fabriken an günstigere Produktionsstandorte erreichen lassen.
Trend 3: Nachhaltige Batterien
Der dritte Trend, die Herstellung nachhaltiger Batterien, gewinne durch die EU-Batterierichtlinie, aber auch durch eine wachsende Zahl von Automobilherstellern an Dynamik, so das Fraunhofer ISI. Konkret könne Nachhaltigkeit viele Faktoren vom Rohstoffabbau bis zur Produktion und zu Nutzungsszenarien betreffen. In den kommenden Jahren soll sich laut der Roadmap die industrielle Entwicklung eher auf Zelltechnologien und Produktionstechnologien fokussieren, von denen einige einen geringen CO2-Fußabdruck mit niedrigen Kosten kombinieren würden. Dazu zählen laut Roadmap eisen- und manganbasierte Kathoden, eine wasserbasierte oder trockene Elektrodenprozessierung und die Rückgewinnung von Materialien am Batterielebensende durch Recycling. Auch der Produktionsstandort wirke sich auf die Nachhaltigkeit aus, da er von Faktoren wie dem verfügbaren Energiemix und der Entfernung zu vor- und nachgelagerten Produktionsstätten beeinflusst werde.
Batterie-Diversifizierung statt Kompromisstechnologien
Allerdings: Die drei in der Roadmap vorgestellten Trends stehen teilweise im Widerspruch. So sei eine hohe Performance manchmal teuer und die hohe Priorität eines geringen ökologischen Fußabdrucks könne zum Beispiel die Nutzung einiger Technologien einschränken. "Folglich sollte die Industrie hier diversifizieren und Batterien mit klaren Profilen und Anwendungsfällen herstellen. Zellhersteller, Automobil-OEMs, Start-ups und ihre Joint Ventures wollen bis 2028 eine jährliche Zellproduktionskapazität von mehr als 10 TWh aufbauen. Berücksichtigt man die Wahrscheinlichkeit für die tatsächliche Umsetzung und typische Verzögerungen, scheinen bis zu 5 TWh realistisch zu sein", erklärt das Fraunhofer ISI.
Was die Produktion von Anoden- und Kathoden-Aktivmaterialien betreffe, so seien für 2028 etwa 3 TWh angekündigt worden, was näher am prognostizierten Batteriebedarf der Anwendungsmärkte von 2 bis 3,5 TWh liege, betont die Roadmap. Wie sich die Batterierecyclingkapazität entwickeln werde, sei noch unklar. "Alle Ankündigungen der letzten Jahre zeigen ein asymmetrisches Bild entlang der LIB-Wertschöpfungskette, in der der Schwerpunkt lange auf der Zellproduktion lag", so das Fraunhofer ISI. Im Bereich der Materialien und Komponenten habe die Industrie noch Nachholbedarf.
Europa als Akteur der globalen Batteriezellenproduktion
Nichtsdestotrotz sieht Dr. Christoph Neef, wissenschaftlicher Koordinator der Fraunhofer-Studie, Europa auf einem guten Weg, ein wichtiger Akteur in der globalen Batteriezellenproduktion zu werden: "In Europa gibt es Pläne zum Aufbau von Zellproduktionskapazitäten in Höhe von 1,7 TWh aufgrund einer steigenden Elektrofahrzeug-Produktion. Berücksichtigt man die Realisierungswahrscheinlichkeit und mögliche Verzögerungen, scheint bis 2030 rund 1 TWh realistisch zu sein. Die Zahlen für Europa bestätigen den globalen Trend einer starken Konzentration auf Projekte und Investitionen in die Zellproduktion. Das Ziel, 30 Prozent der weltweiten Zellproduktion auf europäischem Boden anzusiedeln, könnte erreicht werden."
Jedoch soll Europa bei der Produktion von Anodenmaterialien schwach bleiben und weiter auf Importe angewiesen sein, wie Neef ergänzt. Auch andere Lücken bestünden fort, etwa bei passiven Zellkomponenten oder auch bei der für niedrige Kosten wichtigen Schlüsseltechnologie Lithiumeisenphosphat. Hinzu komme, dass bislang der Ausbau der Produktionskapazitäten und die Frage, welche Hersteller diese Technologie in der Zellproduktion abdecken könnten, noch ungeklärt seien. Ebenso habe sich noch kein Materialhersteller verpflichtet, nennenswerte Kapazitäten für Siliziummaterialien aufzubauen, die als LIB-Technologie der nächsten Generation gelten.
Um diese Lücken im europäischen Batterie-Ökosystem zu schließen, seien noch einige Herausforderungen zu meistern. Zu diesen gehörten Investitionen und Investitionsbedingungen, hohe Energiekosten, die Ausbildung qualifizierter Fachkräfte und die Schaffung einer durchgängigen lokalen Wertschöpfungskette. Die Straffung bürokratischer Prozesse und die Verringerung zeitaufwändiger Verfahren sowie staatliche Subventionen und Finanzierungsmechanismen sollen die Industrie anzukurbeln.