Forschungsinformationssystem des BMVI

zurück Zur Startseite FIS

Herausforderungen bei der Weiterentwicklung von Batterietechnik für die Elektromobilität

Erstellt am: 05.12.2019 | Stand des Wissens: 13.04.2022
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Forschungsaktivitäten und daraus resultierende Innovationen setzen an allen Stufen der Wertschöpfungskette der Batterieproduktion für Elektromobilität an, sie betreffen sowohl Prozess- als auch Produktinnovationen. Die Innovationsfähigkeit der Branche zeigt sich in rasant gesunkenen Preisen und stark gestiegenen Energiedichten von Lithium-Ionen-Batterien (vgl. Abb. 1); diese Technologie wird nach heutigem Wissensstand auch in den nächsten Jahren dominierend bleiben.
 Batteriepreisen und EnergiedichtenAbbildung 1: Entwicklung von Batteriepreisen und Energiedichten für Batterien für Elektrofahrzeuge. Quelle: [McKi17b] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Im Folgenden werden ausgewählte kritische Herausforderungen bei der Produktion und Weiterentwicklung von Batterien für die Elektromobilität betrachtet. Diese ergeben sich sowohl aus der gegenwärtigen Marktstruktur bei der Batterieproduktion über die gesamte Wertschöpfungskette (Abbildung 2), als auch aus Engpässen bei einzelnen Stufen. Letztere geben Hinweise auf konkrete Ziele für die Forschung und Entwicklung der Batterieherstellung in Deutschland und Europa.
Wertschöpfungskette im Bereich FahrzeugbatterieAbbildung 2: Wertschöpfungskette im Bereich Fahrzeugbatterie. Quelle: [NPM19, S. 12] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
In den letzten Jahren hat sich China als Leitmarkt und Leitanbieter von Batterietechnik für Elektromobilität etabliert und die vorher führenden Unternehmen aus Japan und Südkorea in vielen Kernbereichen überflügelt. Die Marktanteile chinesischer Firmen entlang der gesamten Batterie-Wertschöpfungskette (exklusive Fahrzeuge und Recycling) lag 2017 bei 40-70 Prozent, vgl. [ISI18, S 16], Japan und Südkorea verfügten über Marktanteile von 25 Prozent und 15 Prozent, während europäische und deutsche Unternehmen erst ab der Batterieproduktion für die Systemintegration eine Rolle spielen. Diese starke Position Chinas resultiert aus einer hohen, politisch induzierten Inlandsnachfrage und einem strategischen Aufbau der kompletten Wertschöpfungskette, inklusive Rohstoffbezug, vgl. [ISI18, S. 4].
2017 verteilten sich die globalen Produktionskapazitäten (in Gigawattstunden) von Batteriezellen - den Grundbausteinen von Batterien - wie folgt, vgl. [ISI18, S. 69]:
  • China: 73 Prozent
  • USA: 9 Prozent
  • Südkorea: 8 Prozent
  • Japan: 7 Prozent
  • Andere: 3 Prozent
Etwa ein Drittel der gesamten Wertschöpfung bei Elektrofahrzeugen entfällt gegenwärtig auf die Batterieproduktion. Wirtschaftlich am bedeutendsten ist mit 60-70 Prozent der Gesamtkosten der Batterie die Herstellung von Batteriezellen, vgl [NPM19, S. 12]. Batteriemodule und -systeme werden zwar auch in Deutschland und Europa - vor allem durch Autohersteller - erfolgreich entwickelt und gefertigt. Die hierfür nötigen Batteriezellen müssen aber meist importiert werden, was die Gefahr der wirtschaftlichen Abhängigkeit der europäischen Automobilindustrie von einem Oligopol asiatischer, v.a. chinesischer Batteriezellenhersteller birgt. Um zukünftig unabhängiger von Importen zu werden und eine Vorreiterrolle entlang der gesamten Batteriewertschöpfungskette einzunehmen, werden innovative Vorhaben in diesem Bereich vom BMWi mit knapp drei Milliarden Euro gefördert. Zudem erfolgt eine Förderung auf europäischer Ebene durch das Förderprogramm IPCEI (Important Project of Common European Interest) [BMWi21e]. Dadurch entsteht beispielsweise das Zellfertigungswerk von BMW in der Nähe von München, welches alle Arbeitsschritte von der Materialauswahl bis zum Recycling umfassen und Ende 2022 in Betrieb gehen soll [t3n20].
In den nächsten Jahren ist eine stark steigende Batterienachfrage für Elektromobilität weltweit zu erwarten. Das Energiespeicher-Monitoring 2018 [ISI18, S. 4] geht für das Jahr 2025 von einem Bedarf von ca. 1 bis 1,5 Terawattstunden und 2030 bereits von 3 bis 6 Terawattstunden aus. Dementsprechend expandieren aktuell schon asiatische Zellhersteller (China, Japan, Südkorea) nach Europa; in den kommenden Jahren wird allein hier von einem Ausbau der vorhandenen Kapazitäten von derzeit 10 Gigawattstunden auf 60-100 Gigawattstunden ausgegangen, vgl. [ISI18, S. 4].
Das BMWi bezeichnet Batterietechnologie als Schlüsseltechnologie, die mit sehr hohen Wertschöpfungseffekten für die Volkswirtschaft verbunden ist und deren Beherrschung und Anwendung in großem Maßstab für Deutschland und Europa eine wesentliche Voraussetzung für den Erhalt von Wettbewerbsfähigkeit ist. Die Forschungsförderung mit dem Ziel des Aufbaus einer leistungsfähigen europäischen Batteriezellproduktion ist also industriepolitische Maßgabe. Es wird angestrebt, bis zum Jahre 2030 ca. 30 Prozent der weltweiten Nachfrage nach Batteriezellen aus deutscher und europäischer Produktion zu beliefern, vgl. [BMWi18d, S. 2].
Ausgangspunkt für den Aufbau einer solchen europäischen Batteriezellproduktion ist der Zugang zu benötigten Rohstoffen wie Graphit, Lithium, Kobalt, Kupfer und Nickel, vgl. [NPM19, S. 12].
Der Markt für Graphit wird von einem Oligopol weniger asiatischer Lieferanten dominiert. Insbesondere chinesische Naturgraphitminenbetreiber spielen hier eine Rolle, während es nur vereinzelte europäische Anbieter gibt. [NPM19, S. 14] erscheint deshalb der Auf- bzw. Ausbau einer europäischen Industrie für den (auch besser skalierbaren) Synthesegraphit erforderlich.
Besonders schwierig ist die Situation auf dem weltweiten Kobaltmarkt. Die größten Vorkommen an dieser seltenen Erde gibt es in der Demokratischen Republik Kongo; bis zu 60 Prozent der auf der Welt gehandelten Kobaltmenge werden hier abgebaut. Die Volksrepublik China hat frühzeitig entsprechende Lieferverträge mit dem Kongo abgeschlossen und ist heute für etwa 80 Prozent der weltweiten chemischen Kobaltveredelung verantwortlich, vgl. [Stei18]. Einen aussichtsreichen Weg bei der Rohstoffbeschaffung schlägt künftig BMW ein. Der Autobauer hat direkte Lieferverträge mit Kobalt- und Lithiumminen in Australien und Marokko abgeschlossen, so daß ab 2020 die beiden Zellproduzenten für BMW, der chinesische Konzern Contemporary Amperex Technology Ltd (CATL) und der südkoreanische Hersteller Samsung, mit diesen Rohstoffen beliefert werden können. Diese Lieferverträge garantieren BMW eine Versorgungssicherheit mit Batteriezellen bis 2025, vgl. [t3n19]. Es wird aber deutlich, daß eine Priorität in der Forschung zu neuen Batteriegenerationen die Entwicklung von Alternativen zu knappen Rohstoffen, die Erschließung des Potentials europäischer Primärrohstoffe und das Recycling zur Wiedergewinnung von Materialien sein muß, vgl. [NPM19].
Darüber hinaus müssen sich die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf die Skalierung der Produktion vom Labor zum industriellen Maßstab konzentrieren. [NPM19, S. 14/15 ]sieht eine Stärke des Wirtschaftsstandortes Deutschland in seinem funktionierenden Zusammenspiel zwischen einschlägigen Forschungseinrichtungen, Maschinen- und Gerätebau, Materialentwicklung und Produktions-Know-How, diagnostiert aber auch einen Nachholbedarf bei der Forschung, Entwicklung und Produktion von Batteriezellen und Zellmaterialien. Es wird eine Verstärkung und Ergänzung der bestehenden Forschungsproduktionslinien in Ulm und Braunschweig sowie der künftigen Fraunhofer-Forschungsfertigung in Münster gefordert.
[ISI18, S. 23] mahnt kurzfristig sehr hohe Investitionen zum Aufbau der zur kommerziellen Zellfertigung nötigen Produktions- und Prozesskompetenzen an. Das betrifft sowohl die Materialentwicklung, die Prozess- und Automatisierungstechnik als auch den Aufbau von Fachpersonal. Dabei sollten alle Forschungsfragen auf die Kostenreduktion der Batteriekostenkomponenten (Material, Ausrüstung, Energieverbrauch, Ausschuss, Beschäftigte etc.) und dem Herausarbeiten eines Vorsprungs (Kosten und/oder Leistung) ausgerichtet sein. Die in Aussicht gestellten Fördersummen von BMWi und BMBF können dabei nur unterstützend wirken; eine wettbewerbsfähige Zellfertigung in Deutschland und Europa kann nur mit massiven Investitionen der Industrie aufgebaut werden, vgl. [ISI18, S. 23].
 
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Batterieforschung im Kontext der Elektromobilität (Stand des Wissens: 13.04.2022)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?506185
Literatur
[BMWi18d] Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Hrsg.) Thesen zur industriellen Batteriezellfertigung in Deutschland und Europa, 2018
[BMWi21e] Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Hrsg.) Batterien "made in Germany" - ein Beitrag zu nachhaltigem Wachstum und klimafreundlicher Mobilität, 2021
[ISI18] Axel Thielmann, Christoph Neef, Chiara Fenske, Martin Wietschel Energiespeicher-Monitoring 2018
Leitmarkt- und Leitanbieterstudie:
Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität, 2018/12
[McKi17b] Stefan M. Knupfer, Russell Hensley, Patrick Hertzke, Patrick Schaufuss, Nicholas Laverty, Nicolaas Kramer Electrifying insights: How automakers can drive electrified vehicle sales and profitability, 2017/01
[NPM19] Nationale Plattform Zukunft der Mobilität (Hrsg.) 1. Zwischenbericht zur Wertschöpfung
Arbeitsgruppe 4: Sicherung des Mobilitäts- und Produktionsstandortes, Batteriezellproduktion, Rohstoffe und Recycling, Bildung und Qualifizierung, 2019/10
[Stei18] Steiner, Anna China ist Europa bei der Batterieproduktion überlegen, 2018/07/16
[t3n19] BMW steigt tiefer in die Technologie der Batteriezellfertigung ein, 2019/11/17
[t3n20] t3n (Hrsg.) Zellfertigung: BMW baut Batterie-Werk nahe München, 2020/08/02
Weiterführende Literatur
[MaTe19] Batterien für E-Autos: An der Zelle scheiden sich die Geister, 2019/09/23
Glossar
Elektromobilität
Die Elektrifizierung der Antriebe durch Batterie- und Brennstoffzellentechnologien. Im Kontext des "Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität" wird der Begriff auf den Straßenverkehr begrenzt. Hierbei handelt es sich insbesondere um Personenkraftwagen (Pkw) und leichte Nutzfahrzeuge, ebenso werden aber auch Zweiräder (Elektroroller, Elektrofahrräder) und Leichtfahrzeuge einbezogen.
BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung
BMWK
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz erarbeitet Rahmenbedingungen zur Stärkung der Robustheit und Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandortes Deutschland (bis 12/2013 BMWI, bis 12/2021 BMWi).

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?506170

Gedruckt am Dienstag, 27. September 2022 21:47:25