Geladen - der Batteriepodcast zur Energiewende

Ohne eine einheimische Versorgung mit dem Batterie-Gold Lithium könnte es für Europas Autokonzerne schwierig werden, mit China zu konkurrieren, das seine Elektroauto-Industrie rasch ausbaut und in den europäischen Markt vordringt. China kontrolliert einen Großteil der weltweiten Lithiumverarbeitung, bei der ein aus Sole oder Erz gewonnenes Konzentrat in chemische Lithiumverbindungen wie Carbonat oder Hydroxid umgewandelt wird, die in Antriebsbatterien verwendet werden. China wird der Versorgung seiner eigenen Industrie Vorrang einräumen.

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Auf Natrium-Ionen-Batterien lasten derzeit viele Hoffnungen. Sie gelten schon jetzt, kurz vor ihrer Markteinführung, als besonders preiswert, sicher und umweltfreundlich. Doch wie nachhaltig die vielen verschiedenen Versionen der Natrium-Zellen tatsächlich sind, das wusste bis vor kurzem keiner so genau.

Die Forschungsgruppe rund um unseren Podcastgast Dr. Manuel Baumann (KIT, ITAS, HIU) hat diese "Nachhaltigkeitsaspekte" nun exakt beziffert. Und siehe da: Die Resultate sind genauso vielfältig, wie die Batterieklasse selbst. Die Materialien, die zur Herstellung der Zellkomponenten benötigt werden, sind nämlich genauso abwechslungsreich wie bei den Lithium-Zellen: Manche Zellen benötigen Kobalt, Nickel, Vanadium, Mangan, ungeordnete Kohlenstoffe, Graphit, Eisen, Aluminium, etc.

Die Forschungsgruppe hat ein System entwickelt, um die unterschiedlichsten Natrium-Zellen auf ihre Nachhaltigkeit hin zu überprüfen. Dabei konzentrierten sich die Forschenden speziell auf die Kathode: 42 verschiedene Kathodenarten wurden einem "Screening" unterzogen und mit acht Lithium-Kathoden verglichen. Folgende Nachhaltigkeitskategorien wurden dabei aufgestellt: (1) Kosten, (2) Materialkritikalität und (3) CO2-Fußabdruck der Zelle.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Energiedichte in allen drei Kategorien ein wichtiger Faktor darstellt. Er bestimmt maßgeblich den Materialbedarf. Die meisten Natrium-Kathoden erzielen eine bessere Ergebnisse als das Lithium-Pendant. Insbesondere die "Preussisch-Blau-Elektroden" und die manganbasierten Schichtoxide scheinen besonders nachhaltig zu sein.

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Link zur Studie:

Wann kommen sie endlich auf den Markt? Festkörperbatterien haben das Potenzial, eine höhere Energiedichte, mehr Sicherheit und eine schnellere Aufladung als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt zu bieten, aber was ist die Wissenschaft dahinter, das Potenzial der Technologie und die Herausforderung? Wir haben nachgefragt bei zwei der international renommiertesten Forschenden in diesem Feld: Prof. Dr. Jennifer Rupp (TU München) und Prof. Jürgen Janek (JLU Gießen).

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In dieser Episode spricht die Mobilitätsexpertin Katja Diehl über das Gelingen der Verkehrswende in Deutschland. Sie unterstreicht, dass unser aller Bewegungsmuster (Mobilität: wann, wie, wohin, warum) völlig neu gedacht werden sollte. Laut Diehl gibt es dazu jedoch noch zu wenig Mobilitätsalternativen zur "Auto-Mobilität". Nur eine Verringerung der deutschen Pkw-Bestände könnte letztlich eine klimafreundliche und -gerechte Umwelt ermöglichen, die städtebaulich mehr Lebensqualität verspricht. "Ich habe mal die Zahl 20 Mio. Fahrzeuge genannt", so Diehl. Das wäre eine Reduktion um rund die Hälfte der derzeitigen Autoflotten Deutschlands.

"Jede:r sollte das Recht haben, ein Leben ohne ein eigenes Auto führen zu können", so Diehl. In ihrer Vorstellung können die Menschen zwar weiter Auto fahren, so sie es denn wollen. Sie müssen es aber nicht mehr – denn es soll überall attraktive Alternativen geben: Bus, Bahn, Fahrräder, Roller, Scooter, Sammeltaxi.

Warum dem Auto also noch länger huldigen? Katja Diehl sagt: "In unserem Land ist nicht alles fair und klimagerecht, inklusiv und bezahlbar". Vielmehr ist seit vielen Jahrzehnten jegliche Mobilität auf das Auto ausgelegt. Gut ausgebaute Autobahnen, zu viele Parkplätze, zu große Innenstadtstraßen und vor allem eine finanziell attraktive Haltung von (großen) Fahrzeugen. Dabei sind aber die Bedürfnisse vieler Menschen nicht angemessen berücksichtigt.

Am 28. Oktober 2022 erhielt Katja Diehl den Deutschen Mobilitätspreis. Ihr Buch "Autokorrektur – Mobilität für eine lebenswerte Welt" erschien am 9. Februar 2022 und stand sofort auf Platz 5 auf der Spiegel-Bestsellerliste. Es wurde 2022 mit dem Deutschen Wirtschaftsbuchpreis in der erstmals vergebenen Kategorie „Leserpreis“ ausgezeichnet.

Podcast Katja Diehl:

Natrium-Ionen-Batterien standen jahrzehntelang im Schatten der Lithium-Ionen-Batterien, aber in der Erdkruste gibt es tausendmal mehr Natrium als Lithium. Und jetzt ist die Batteriechemie so weit entwickelt, dass Natrium-Ionen-Batterien ähnliche Energiedichten haben wie ihre Lithium-Konkurrenten. Außerdem sind Natrium-Ionen-Batterien leichter, sicherer, billiger und sauberer als Lithium-Ionen-Batterien. Chinesische Batteriehersteller, wie CATL und BYD, haben mit der Massenproduktion begonnen und werden die Natrium-Ionen-Batterien sogar in Elektroautos einsetzen. Dies könnte wirklich ein Gamechanger für die Energiewende werden.

Was bedeutet dies nun für die Branche? Wie wird sich diese neue Technologie auf den Markt auswirken, und welche Möglichkeiten ergeben sich daraus für Unternehmen und Verbraucher gleichermaßen? Lassen Sie uns tiefer eintauchen und ihr Potenzial erkunden in dieser GELADEN-Folge mit Prof. Maximilian Fichtner und Dr. Dominic Bresser vom Karlsruher-Institut für Technologie (KIT).

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Das bislang größte "Batteriebeben" in diesem Jahr: CATL kündigt am 19. April mit seiner „Condensed Matter Batterie“ Zellen mit über 500 Wh/kg an! Und wir fragen uns: Handelt es sich womöglich um die erste Festkörperbatterie in der Massenproduktion? Und wo bleiben die Europäer in diesem Rennen?

"Bei der Condensed Battery von CATL handelt es sich um eine sog. 'Almost Solid-State Battery'(ASSB)", sagt Prof. Maximilian Fichtner. Derzeit arbeiten schon einige Unternehmen an der Entwicklung solcher Semi-Festkörperbatterien (SolidPower, ProLogium, Amprius, Ganfeng, etc.). Allerdings trauen Experten nur wenigen Herstellern zu, dieses Ziel auch in den nächsten Jahren zu erreichen. "Im Gegensatz zu Startups wie QuantumScape hat CATL die Produktionskapazitäten und -erfahrungen, um innovative Batterien schnell zu bauen", so Fichtner. Mit Blick auf die "Condensed Battery" fasst CATL's Chefentwickler Wu Kai zusammen: „Die Batterie kombiniert innovative Kathodenmaterialien mit ultrahoher Energiedichte, neue Anoden- und Separatormaterialien mit einem komplett neuartigen Elektrolyten".

Die Batterieforschung fragt sich, welche Zellchemie in der "Condensed Battery" steckt:

Wenn sich CATLs Ankündigungen bewahrheiten sollten, dann käme die neue Zelle mit 500 Wh/kg auf fast die doppelte Energiedichte als Teslas 4680-Zellen (280 Wh/kg). In diesem Fall würden Luxus-Pkws bald Reichweiten von 1.500 bis 2.000 Kilometer erreichen können.

Angeblich testet CATL die Batterie schon mit Luftfahrt-Unternehmen für den Einsatz in Flugzeugen. Unser Podcastgast Prof. Maximilian Fichtner neigt deshalb dazu, eine andere (und bisher wenig beachtete) Zellchemie ins Spiel zu bringen: Handelt es sich evtl. um Lithium-Schwefel-Batterien?

Weiterführende Links:

CATL Pressemitteilung: https://www.catl.com/en/news/6015.html

Podcast zu Lithium-Schwefel-Batterien (Geladen-Folge)

Podcast zu Batterieantrieben in der Luftfahrt (Geladen-Folge)

Frische Batteriezellen werden traditionell direkt nach ihrer Fertigung bis zu 24 Stunden vorsichtig erstgeladen. Dieser "Formierungsprozess" ist kostenintensiv, aufwändig und dauert meist ca. 24 Stunden.

Eine Gruppe von Ulmer Batterieforschern hat nun ein Verfahren entwickelt, was schon sehr bald Millionen von Euros einsparen könnte: Die Wissenschaftler wenden dabei eine Kombination aus "gepulstem Laden" und Künstlicher Intelligenz an. Dies führt nicht nur zu hochwertigeren Zellen und weniger Produktionszeit (nämlich nur 10 Stunden!), sondern auch zu weniger Ausschuss.

Unser heutiger Podcastgast, Prof. Dr.-Ing. Helge Sören Stein, arbeitet am Karlsruher Institut für Technologie, dem Helmholtz-Institut Ulm und am POLiS-Exzellenzcluster. Als Materialforscher widmet er sich eigentlich der Erforschung und Optimierung neuer Batteriematerialien. Über den "InZePro-Kompetenzcluster" und das Forschungsprojekt "InForm" ist seine Forschungsgruppe ebenfalls in die Neuentwicklung innovativer Produktionsprozesse involviert.

Die "Formation" ist einer der kostenintensivsten Prozesse innerhalb des gesamten Produktionsvorgangs einer Batteriezelle. Dabei werden die ersten Lade- und Entladevorgänge der Batteriezelle vorgenommen. Die Parameter (Strom- und Spannungsverläufe) während der Formation sind je nach Zellhersteller sehr unterschiedlich, aber beeinflussen immer in einem hohen Maße die spätere Zellperformance. Traditionell werden Zellchargen standardisiert in 24 Stunden erstgeladen und unterliegen dabei einem bestimmten Schema aus Lade- und Entladevorgängen.

Und genau hier kommt Steins Forschungsgruppe ins Spiel: Über gepulstes Laden in Echtzeit werden die frischen Zellen bei dem neuen Verfahren in nur ca. 10 Stunden formiert. Und dabei wird jede Zelle auch individuell nach Spannungsänderung und Innenwiderstand behandelt. Das spart Zeit, Kosten und führt zu viel weniger Zellen, die sich später als unbrauchbar herausstellen.

In Batterien treten normalerweise elektrochemische Reaktionen auf, die strukturelle Veränderungen in Materialien verursachen. Einige davon sind beabsichtigt - nur so kann die Batterie effektiv als Stromspeicher dienen. Andere führen langfristig als ungewollte Nebeneffekte zu einer drastischen Verringerung der Batterieleistung. So entwickeln sich beispielsweise durch das "Lithium-Plating" sog. Dendriten, die als metallische Lithium-Nadeln einen Kurzschluss innerhalb der Zelle auslösen können. Auch die SEI-Schicht ("Solid-Electrolyte-Interphase") kann unschöne Risse bekommen, sodass die Batterie immer mehr an Kapazität und Leistung verliert.

Innerhalb des EU-Projekts "BAT4EVER" konzentrieren sich Wolfgang Binder und Anja Marinow auf Selbstheilungsmechanismen dieser Mikroschäden und Materialverluste, die besonders während Lade- und Entladezyklen entstehen. Die beiden widmen sich Materialcharakterisierungs-Methoden und einer Modellierung von Materialverhalten.

Laut Prof. Dr. Wolfgang Binder arbeiten auch namhafte Batteriehersteller wie StoreDot im Bereich der Batterie-Leistungselektronik daran, eine (normalerweise unbeabsichtigte und gefährliche) Tiefentladung von Zellen herbeizuführen und durch einen geordneten Spannungs- und Strom-Impuls perspektivisch Kapazität und Leistung wieder zurück zu gewinnen. Diese Rückgewinnungsmechanismen befinden sich jedoch (wie alle selbstheilenden Batteriekonzepte) noch allesamt noch in der Entwicklungsphase.

Weiterführende Links:

Dr. Sebastian Pohlmann ist Vice President of Business Development beim estnischen Unternehmen Skeleton Technologies. Skeleton ist Entwickler und Hersteller von Energiespeichern für Transport-, Netz-, Automobilanwendungen. Dr. Simon Fleischmann leitet die Arbeitsgruppe "Nanoconfined Electrochemical Interfaces" am Helmholtz-Institut Ulm.

Tatsächlich gibt es sie schon heute, die Hybride aus Batterien und Superkondensatoren. Dabei versuchen die Materialforscher, sich die Charakteristika beider Welten zunutze zu machen: Das Ziel, die Leistungsdichte der Kondensatoren und die Energiedichte der Batterien zu kombinieren ist zwar nicht bahnbrechend neu, jedoch erscheint sie heute vielversprechender denn je.

Das estnische Unternehmen Skeleton Technologies macht es mit seiner "SuperBattery" vor: Diese hybriden (batterieähnlichen) Superkondensatoren erreichen bis zu 50.000 Ladezyklen bei ultraschneller 1-minütiger Aufladung. Angeblich ist die "SuperBattery" - wie jeder Superkondensator - noch immer frei von Kobalt, Kupfer und Nickel. Ebenfalls kommt sog. "gekrümmtes Graphen" zum Einsatz. Im Podcast gibt HIU-Wissenschaftler Dr. Fleischmann eine Einschätzung ab, was von dieser Batterie-Innovation zu halten ist.

Die "SuperBattery" soll in Hybrid- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen, Bussen, Lastwagen und Ladeinfrastruktur eingesetzt werden. Auch bei Bergbau- und bei Offroad-Maschinen macht sich das Unternehmen Hoffnung, bald große Stückzahlen zu erreichen.

Weiterführende Links:

Wie kommen die Strompreise zustande? Ist das Merit-Order-Modell, durch das der Preis an der Strombörse gebildet wird, in Bezug auf die vermehrte Umstellung auf erneuerbare Energien noch zeitgemäß? Unser Experte im Geladen Podcast, Prof. Dr. Bruno Burger (KIT & Fraunhofer) geht davon aus, dass es in Zukunft immer häufiger zu Extremsituationen kommt wie am 10. Februar 2023. Es gab viel Wind im Norden, niedrige Börsenstrompreise, die Kraftwerke im Süden wurden nicht eingesetzt, Pumpspeicher kauften dann viel Strom, die Nord-Süd-Leitungen hatten zu wenig Kapazität und so wurden im Süden Kraftwerke zum Redispatch aktiviert. Wir diskutieren die Strompreiszonen, eine Reform des Merit-Order sowie die Stromtrassen und den Netzausbau.