Trends der Traktionsbatterien

Traktionsbatterien für Elektroautos werden kontinuierlich besser. Die Summe der Optimierungen führt zum Fortschritt. Und die Revolution bleibt aus. Das sind zusammengefasst die keineswegs neuen Erkenntnisse, wenn man die Produkte der Industrie betrachtet. Trotzdem lassen sich Trends herausarbeiten, die teilweise banal und manchmal überraschend sind. Die gute Nachricht ist: Es geht für alle Kunden schrittweise voran. Wir geben eine Übersicht über das, was sich tut.

Kommen wir zuerst zu den Batteriesystemen. In einem System sind viele Zellen zusammengefasst. Lange hatten Vertreter der deutschen Autoindustrie in Hintergrundgesprächen behauptet, es käme ausschließlich auf das Batteriesystem mit dem Softwaremanagement, dem Packaging und der Wohlfühl-Temperierung an. Die Zelle selbst wäre lediglich ein Zulieferteil. Tesla dagegen hatte zu Beginn argumentiert, dass die Batteriezelle als kleinste Einheit unbedingt zur eigenen Wertschöpfung gehören müsse. Inzwischen sind die Dogmen aufgeweicht. Alle machen (bald) alles: Tesla kauft komplette Batteriesysteme zu. Volkswagen baut Zellen in Eigenregie.

Bei den Batteriesystemen zeigen sich unterdessen CATL – der weltgrößte Hersteller – und BYD (für Build Your Dreams) am fortschrittlichsten. CATL hat im Juni die „Qilin“-Batterie vorgestellt. Qilin lässt die Modulebene weg, in der zum Beispiel zwölf Zellen in einem Paket kommen. In der Branche ist von CTP (Cell-To-Pack) die Rede, wenn die Modulebene wegfällt. Das ist bei sämtlichen guten Systemen inzwischen so, weil es das Modul nur gibt, um den Einkauf durch die Autoindustrie zu vereinfachen. Technisch ist es überflüssig.

CATL praktiziert CTP bereits in der zweiten Generation. Das Ergebnis: 72 Volumenprozent des Systems sind Aktivmaterial. Das ist derzeit die Spitze.

Außerdem, und das ist die nächste Stärke des Qilin-Systems, konnte eine multifunktionale Schicht zwischen den Zellen optimiert werden: Die Kühlfläche vervierfacht sich, sodass in zehn Minuten von zehn auf 80 Prozent geladen werden kann. Gleichzeitig ist es möglich, unterschiedliche Zellchemien zu integrieren: Mit LFP-Zellen ist eine Energiedichte von 160 Wattstunden pro Kilogramm machbar. Mit NMC-Zellen sind es 255 Wh/kg. Der Seitenhieb auf Tesla, man sei damit 13 Prozent besser als deren 4680-Zellen, lässt Elon Musk kalt: Tesla kauft einfach bei CATL ein.

BYD produziert anders als CATL auch Elektroautos. Die BYD Blade Battery ist international bekannt. Dieses System kombiniert kostengünstige und großformatige LFP-Zellen mit einem 800 Volt-Bordnetz. Das ist einzigartig. Darüber hinaus kann die Oberseite des Batteriesystems zugleich der Innenraumboden sein (Cell-To-Body oder CTB). So erhöht sich die Energiedichte, ohne das Karosseriesteifigkeit verloren geht.

Die Blade Battery gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Die neuste Entwicklungsstufe kommt in der Limousine BYD Seal zum Einsatz, deren Start für Europa derzeit nicht vorgesehen ist. Technisch baugleich ist der Toyota bZ3. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die beste Batterie von BYD ausgerechnet mit der vorgeblich elektroskeptischen Marke Toyota zu uns kommt. Endkunden in Deutschland kennen BYD eher durch die „Box“, einen populären stationären Speicher für Strom aus der eigenen PV-Anlage.

CATL und BYD machen vor, was die Ziele bei den Systemen sind: Immer besseres Packaging, um das Verhältnis von Verpackung und Aktivmaterial zu verbessern und so letztlich die Kosten zu senken. Und immer bessere Kühlung und Heizung, um unter allen Bedingungen sicher und schnell laden zu können.

Die Kosten sind zugleich der wichtigste Treiber bei den Fortschritten in der Zellchemie. Es geht ums Geld. Nur so ist es abseits der Luxusklasse in den preissensiblen Segmenten möglich, akzeptable Reichweiten anbieten zu können.

Die meisten Traktionsbatterien der in Deutschland verkauften Elektroautos haben Zellen mit einer Kathodenmischung aus Nickel, Mangan und Kobalt (abgekürzt NMC). Diese Rohstoffe sind drastisch teurer geworden, und auch der Preis von Lithium hat sich vervielfacht. Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen (LFP) werden als billigere Alternative zunehmend Verbreitung finden. Die Einstiegsmodelle von Tesla fahren bereits mit LFP, und einige Varianten von MG sind damit unterwegs. Spätestens 2025 könnte weltweit betrachtet mehr LFP- als NMC-Kapazität produziert werden.

LFP-Zellen haben eine relativ schlechte Energiedichte. CATL nennt (siehe oben) repräsentative 160 statt 255 Wh/kg. Und das Laden bei Minusgraden ist eine herbe Schwäche. Aber neben den niedrigen Kosten gibt es weitere Vorteile: LFP-Zellen sind äußerst robust. Die zyklische Dauerhaltbarkeit ist sehr hoch, und das Risiko des thermischen Durchgehens gering. Auch in der Fertigung selbst sind LFP-Zellen anspruchslos.

Das ist bei einer Weiterentwicklung der LFP-Zellen, den LFMP-Zellen, nicht ganz so simpel. Die Implementierung von Mangan verbessert die Energiedichte deutlich; aber die Einlagerung muss bei der Produktion präzise erfolgen. Im Ergebnis könnte LFMP eine Zellchemie sein, die kaum teurer als LFP ist, bei der Energiedichte jedoch näher an NMC heranreicht. CATL wird LFMP-Zellen ab dem vierten Quartal bauen und an Tesla verkaufen. Auf dem chinesischen Markt soll die Einstiegsversion des Model Y damit ausgerüstet werden.

CATL verspricht auch, 2023 die Serienproduktion einer Natrium- statt Lithium-basierten Zellchemie hochzufahren. Wir sind äußerst gespannt, wie gut das Ergebnis sein wird. Natrium ist günstiger als Lithium. Allerdings müsste CATL anodenseitig die Schwierigkeiten des Hard Carbon gelöst haben. Es kann sonst beim ersten Ladevorgang ein Teil der Kapazität verloren gehen. Fachkreise gehen davon aus, dass den Materialforschern dieses Kunststück gelungen ist.

Nahezu unbemerkt von der Kathodendiskussion um NMC und LFP entwickelt sich parallel die Anode weiter. Das Ziel ist die zunehmende Beimischung von Silizium. Hierdurch steigt die Energiedichte erheblich. Elektroautos wie der Porsche Taycan haben eine Beimischung im niedrigen einstelligen Prozentbereich. 20 Prozent Silizium erscheinen im Serieneinsatz zeitnah machbar. Die Herausforderung: Eine Silizium-Anode dehnt sich im Volumen beim Laden erheblich aus, und beim Entladen sinkt das Volumen wieder. Es müsste also in einem Batteriesystem die Voraussetzung für dieses flexible Volumen geschaffen werden.

Sollte es gelingen, ein dauerhaltbares volumenflexibles System in Großserie zu produzieren, würde ein Verlierer feststehen: Die Solid State Batterie. Der Ersatz des flüssigen durch einen festen Elektrolyten – daher der Name – schafft die Basis für eine Anode aus reinem Lithium. Das Alkalimetall aber ist in Reinform schwer zu handhaben; die Produktion wäre in jedem Fall sehr teuer. Die Frage ist, welcher tatsächliche Vorteil durch eine Solid State Batterie mit einer metallischen Lithium-Anode im Vergleich zu einer Silizium-Anode noch vorhanden ist.

In allen Aspekten der Traktionsbatterie ist klar: China ist führend. Es könnte sich als schwerer Fehler für die deutsche Industrie erweisen, jetzt nicht um den Anschluss zu kämpfen. Zugleich kommen viele Rohmaterialien entweder aus China oder sie werden dort – Beispiel: Lithium aus Australien – veredelt. Für das bevölkerungsreichste Land der Erde liegt hier auch eine strategische Dimension. Die USA haben darum die steuerliche Förderung von Elektroautos daran gekoppelt, dass immer mehr Materialien aus den USA selbst kommen. Europa und Deutschland sind beim strategischen Handeln weitgehend blank, obwohl es durchaus machbar wäre, etwa Lithium in Deutschland zu fördern.

Den Käufern werden solche Überlegungen weitgehend gleichgültig sein. Schließlich kümmern sich auch nur wenige Menschen darum, wer unter welchen Bedingungen ein Apple iPhone baut. Das Produkt muss stimmen, und so werden sich die Interessenten von Elektroautos immer wieder neu entscheiden. Die Traktionsbatterien jedenfalls werden in diesem Jahrzehnt besser und hoffentlich preisgünstiger.

Erschienen bei heise Autos.

Bildquelle: Tesla

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