Autohersteller streben nach solider Entwicklung

Jul 14, 2023

Sie wird als Durchbruch bei Elektrofahrzeugen gefeiert: die Festkörperbatterie. Die Automobilindustrie investiert stark in die Technologie, die die Reichweite und Sicherheit verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten senken könnte.

Alle großen europäischen Automobilhersteller setzen auf Batterien, da sie darum kämpfen, die Fristen für die EU-Verordnung 2035 zum Ausstieg aus dem Verbrennungsmotor einzuhalten.

Mercedes, BMW und Volkswagen setzen derzeit alle auf den Einsatz von Standard-Lithiumbatterien. Sie investieren aber auch viel Geld in die Forschung und Entwicklung der sogenannten Festkörperbatterie.

Da die Automobilindustrie versucht, den CO2-Ausstoß durch den Verzicht auf den Verbrennungsmotor zu senken, ist die Batterie die bevorzugte Energiequelle, um Benzin, einen fossilen Brennstoff, zu ersetzen. Die Entwicklung des Elektrofahrzeugs (EV) hat zu einer Nachfrage nach Autobatterien mit größerer Reichweite geführt.

Festkörperbatterien könnten diesen Vorteil gegenüber den derzeit verwendeten Batterien bieten, zusammen mit einer höheren Energiedichte und einem schnelleren Laden. Sie könnten sich als leichter und sicherer erweisen.

Von einfachen Einwegzellen wie AA und AAA bis hin zu wiederaufladbaren Batteriezellen, wie sie in Elektrofahrzeugen verwendet werden, hat sich auch der Batterieverbrauch seit ihrer Erfindung im 19. Jahrhundert erheblich weiterentwickelt.

„Ich denke, die Batterie ist die größte Innovation des 21. Jahrhunderts und sie verändert unsere Welt völlig“, sagt Professor Ferdinand Dudenhoeffer, Direktor am Zentrum für Automobilforschung in Duisburg, gegenüber der DW.

Es gibt zwei Haupttypen von Batterien: Primär- und Sekundärbatterien. Primärbatterien, auch Einwegbatterien genannt, können nicht wieder aufgeladen werden. Sie liefern während ihrer gesamten Lebensdauer konstante Energie, können jedoch nicht umgekehrt werden, um mehr Energie zu produzieren. Der beliebteste Typ ist die Alkaline-Batterie, die häufig in eigenständigen Geräten mit geringem Stromverbrauch verwendet wird.

Sekundärbatterien hingegen ermöglichen die Umkehrung chemischer Reaktionen durch Anlegen von Spannung und machen sie dadurch wiederaufladbar. Die Blei-Säure-, Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Batterien werden alle in der Automobilindustrie verwendet, insbesondere die leichten Lithium-Batterien. Tesla setzt bei seinen Elektroautos stark auf Lithiumbatterien.

Lithiumbatterien basieren auf einer flüssigen Elektrolytlösung, die es den Lithiumionen ermöglicht, sich nach Bedarf zu bewegen, damit die Batterie funktioniert. Mit Festkörperbatterien ist es Wissenschaftlern gelungen, diesen flüssigen Elektrolyten durch einen festen Elektrolyten zu ersetzen. Dadurch kann auf die schwere Separatorkomponente verzichtet werden, die erforderlich ist, um zu verhindern, dass die positive Elektrode mit der negativen Elektrode in Kontakt kommt.

Das Fehlen eines brennbaren flüssigen Elektrolyten verringert die Brandgefahr und macht die Batterie im Vergleich zur Flüssigbatterie sicherer.

Tests in Laboren sowohl in Japan als auch in Europa haben großes Potenzial in der Batterie gezeigt, wobei Toyota kürzlich einen Durchbruch mit der Festkörperbatterie bekannt gegeben hat. Anfang Juli gab der japanische Automobilhersteller bekannt, dass er den Produktionsprozess für die für die Herstellung verwendeten Materialien vereinfacht habe. Toyota, der zweitgrößte Automobilhersteller der Welt, hat angekündigt, bis 2025 Autos mit Festkörperbatterien produzieren zu wollen.

Aufgrund der höheren Energiedichte wird die Festkörperbatterie das Auto über längere Distanzen mit Strom versorgen und so die Reichweite verbessern – ein zentrales Thema sowohl für Verbraucher als auch für Hersteller bei Elektrofahrzeugen.

Die Festkörperbatterietechnologie ist so wichtig, dass Volkswagen zum größten Anteilseigner von QuantamScape geworden ist, einem 2010 gegründeten Festkörperbatterieunternehmen. Ende Juli stieg die Aktie des Unternehmens aufgrund der Nachricht, dass es mit einem Partner aus der Automobilbranche zusammenarbeitet, in die Höhe Industrie über eine mögliche Einführung ihres ersten kommerziellen Produkts.

Mercedes-Benz wiederum plant, bis 2030 komplett elektrisch zu fahren. Sie haben außerdem Partnerschaften mit Unternehmen wie Prologium, einem taiwanesischen Entwickler und Hersteller von Festkörperbatterien, unterzeichnet.

Doch neben den zahlreichen Vorteilen soll die Festkörperbatterie auch eine kürzere Batterielebensdauer haben. In diesen Batterien können sich Risse bilden und wachsen, sagt Lorenz Olbrich, Doktorand der Materialwissenschaften an der Universität Oxford, gegenüber der DW, „was zu einer kürzeren Lebensdauer der Batterie führt.“

Obwohl man davon ausgeht, dass die Festkörperbatterie leichter, leistungsstärker, kürzere Ladezeiten und sicherer ist, bleiben Experten hinsichtlich der Massenproduktionskosten und der Kosten, die Verbraucher dafür zahlen müssen, skeptisch.

Tim Wicke, Forscher am Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, sagte, dass die Nachfrage nach diesen neuen Batterien zunächst auf Nischenmärkte beschränkt sein werde.

„Diese Festkörperbatterien werden teurer, wenn sie industrialisiert werden, weil der Produktionsmaßstab viel kleiner sein wird“, sagte er der DW.

Die Europäische Union hat die Produktion von Batteriezellen zu einem wichtigen Projekt von gemeinsamem europäischem Interesse erklärt. Das bedeutet, dass die Regierung Autoherstellern, die in Batterietechnologie investieren, Zuschüsse gewähren kann. Die EU hat bereits mehreren Batterieherstellern in verschiedenen Ländern Zuschüsse gewährt.

Regierungen haben auch Automobilhersteller gefördert, die wiederum Unternehmen und Start-ups finanziert haben, die an Festkörperbatterien und anderen Batterietechnologien arbeiten, die sich derzeit in verschiedenen Labors in ganz Europa in der Forschungs- und Entwicklungsphase befinden.

Chinesische Forscher der University of Science and Technology of China haben die Entwicklung einer Festkörperbatterie angekündigt, die zu günstigeren Preisen hergestellt werden könnte. Diese Entwicklung könnte die Bemühungen des Westens, die Abhängigkeit Chinas von Elektrofahrzeugbatterien zu beseitigen, verlangsamen.

Da China im Vergleich zu Europa in Bezug auf Technologie und Produktionskapazität meilenweit voraus ist, sind viele europäische Autohersteller bei der Lieferung traditioneller Batterien für ihre Elektrofahrzeuge auf chinesische Unternehmen angewiesen.

Chinesische Batterieunternehmen machen über 70 % der weltweiten Produktion aus, wobei Unternehmen wie BYD, CATL und Tritek unter anderem westliche Automobilhersteller beliefern.

China verfügt außerdem über einen riesigen Schatz an natürlichen Ressourcen wie Lithium, Kobalt, Mangan, Graphit und Nickel, die bei der Herstellung von Batteriekomponenten verwendet werden. Mehrere europäische und amerikanische Unternehmen sind auf Lieferungen aus China angewiesen.

China genießt derzeit eine große Kontrolle über die Lieferkette. Angesichts der sich verändernden geopolitischen Lage versuchen die Autohersteller im Westen, Wege zu finden, sich von der Abhängigkeit Chinas zu befreien.

„Im Westen herrscht große Angst vor der starken Rohstoffabhängigkeit Chinas“, sagte Olbrich aus Oxford. „Es sind nicht nur die Rohstoffe, auch die größten Zellproduzenten kommen aus China.“

Neben der Suche nach Investitionen und dem Aufbau neuer Batterieproduktionsanlagen werden in Europa und den USA auch die Bemühungen zum Recycling alter Batterien verstärkt. In Europa beispielsweise legen die EU-Vorschriften zu Batterien großen Wert auf Recycling als Quelle der dringend benötigten Rohstoffe, um Nachhaltigkeit und Kostensenkung bei der Batterieproduktion sicherzustellen.

„Auch wenn es in Europa derzeit an Rohstoffen mangelt, gibt es einen anderen Weg, sie abseits des Bergbaus zu gewinnen“, sagte Wicke. „Wir können die Materialien durch Recycling gewinnen. Es ist wichtig, Materialien aus Batterien zu recyceln, die ihren Lebenszyklus beendet haben.“

Herausgegeben von: Kristie Pladson

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