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Batterieforscher Maximilian Fichtner spricht im Interview über die Aufholjagd Europas und die Vor- und Nachteile der verschiedenen neuartigen Akkukonzepte.
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Der Chemiker Maximilian Fichtner, Jahrgang 1961, ist unter anderem Professor für Festkörperchemie an der Uni Ulm und stellvertretender Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung.
(Bild: Helmholtz-Institut Ulm)
Neue Materialien machen Batteriezellen günstiger und umweltfreundlicher, ein optimiertes Batteriedesign sorgt für längere Reichweite zu geringeren Kosten. Doch perfekt ist die Technik noch immer nicht. Im Interview spricht Experte Maximilian Fichtner über neue und alte Möglichkeiten.
Mein Eindruck von der Batterieforschung ist: Immer, wenn sie gerade einen Bestandteil optimiert hat – etwa die Katode –, bekommt sie Probleme mit etwas anderem, zum Beispiel dem Elektrolyt. Braucht man dafür eine besonders hohe Frustrationstoleranz?
Die brauchen Sie als Chemiker generell. Es gibt den Fall, dass man an einem Parameter dreht und ein paar andere Dinge funktionieren dann nicht mehr so gut. Aber es gibt auch den umgekehrten Effekt: Varta hat zum Beispiel der Anode Silizium zugemischt, um die Kapazität zu steigern. Gleichzeitig verbesserte sich dadurch die Schnellladefähigkeit. So etwas können Sie allerdings nicht immer im Voraus wissen. Es gibt viele, viele Schritte auf dem Weg zur fertigen Batterie und jeder dieser Schritte kann scheitern. Deshalb kommt nur ein Bruchteil von dem, was in den Labors gemacht wird, tatsächlich in einem kommerziellen System an.
Welche Schritte sind das?
Nehmen wir an, Sie wollen Kobalt in der Kathode schrittweise durch Mangan und Nickel ersetzen. Dann schauen Sie zunächst, ob Sie die gewünschte Kristallstruktur überhaupt hinbekommen. Als Nächstes machen Sie daraus eine Elektrode für kleine Knopfzellen. Meist stellen Sie dann fest, dass die Kapazität beim Be- und Entladen langsam abnimmt. Sie müssen also weiter optimieren. Wenn Sie denken, die Lösung zu haben, müssen Sie eine „Vollzelle“ in einem größeren Format bauen. Das ist eine Kunst für sich: Sie müssen vielleicht noch Zusätze zum Elektrolyten zugeben, die Oberfläche stabilisieren und so weiter. Irgendwann sind Sie an einem Punkt, wo Sie damit zu einer Chemiefirma gehen. Die sagen dann: „Wie soll ich davon bitte eine Tonne herstellen? Ich hab’ ja gar keinen Prozess dafür.“ Und wenn Sie das Ganze dann trotzdem hochskaliert bekommen, kann sich herausstellen: Aus irgendeinem Grund hat das Material nicht mehr diese tollen Eigenschaften wie die paar Gramm aus dem Labor. Oder es ist zu teuer und damit vielleicht nicht mehr konkurrenzfähig.
Könnte eine Künstliche Intelligenz solche Schwierigkeiten nicht vorher abschätzen?
Schon früh kann man mit einer KI ableiten, ob ein Material etwa eher für den stationären oder den mobilen Bereich geeignet ist. Auch die Alterung von Zellen lässt sich mittlerweile recht erfolgreich damit vorhersagen. Jetzt versucht man, auch die Materialentwicklung zu beschleunigen. In Ulm bauen wir gerade eine riesige, europaweit einzigartige Anlage auf, mit einer autonomen, KI-gestützten Robotik.
"Das System erweitert auf diese Weise sein Wissen."
Wie funktioniert dieser Roboter?
Der Roboterarm in der ersten Version hat einen Probenkopf aus dem 3-D-Drucker. Der Kopf ist mit ein paar Kubikzentimetern Elektrolyt gefüllt, das mit einer Pumpe in ein paar Sekunden ausgetauscht werden kann. Unten ist eine winzige Öffnung mit einer Gegenelektrode und einer Referenzelektrode. Der Kopf setzt dann auf eine Platte mit einer anderen Elektrode auf, zum Beispiel einer Magnesiumfolie. Dabei bildet sich eine Grenzfläche, ein dünnes Häutchen aus einem neuen Material, welches entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Batterie hat. Am Ende hat man eine Platte mit vielen Punkten drauf, die alle unterschiedliche Eigenschaften haben. Per Hochdurchsatz-Oberflächenanalytik oder Spektroskopie werden die dann autonom analysiert. Nachdem die KI aus den Ergebnissen etwas gelernt hat, sagt sie dem Roboter, was er als Nächstes zu tun hat – und so weiter, in einer Schleife. Das System erweitert auf diese Weise sein Wissen und man bekommt einen multidimensionalen Datensatz. Daraus kann die Mathematik Korrelationen erkennen, die außerhalb der üblichen Wahrnehmungsfähigkeit des Wissenschaftlers liegen. So können wir Treffer um den Faktor 5 bis 10 schneller identifizieren.
Über wie viele Materialkombinationen sprechen wir da?
Sagen wir mal tausend pro Tag. Sie kriegen in einer Woche eine Anzahl von Proben, für die ein einzelner Forscher sein ganzes aktives Forscherleben bräuchte.
Bei wie vielen davon lohnt es sich, sie näher zu untersuchen?
Bei Batterien kann ich Ihnen das noch nicht sagen. In der Katalysatorforschung ist es ein Treffer auf einigen Tausend Daten. Unser Traum ist es, sagen zu können: Liebe KI, ich hätte gern ein Material mit diesen und jenen Eigenschaften, zeig mir bitte, wie ich das machen muss. Aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg.
Ganz ohne Menschen geht es also auch in Zukunft nicht. Welche Eigenschaften sollte man als Batterieforscher denn idealerweise mitbringen?
Man muss neugierig und ehrlich sein. Mir scheint es, als ob Wissenschaftler manchmal unter dem Druck stehen, einen Wettbewerb gewinnen zu wollen. Sie lassen ihre Technik dann in besonders gutem Licht erscheinen und verschweigen die Nachteile. Es führt aber zu nichts, sich in die Tasche zu lügen. Wir brauchen als Wissenschaftler auch Demut. Letztendlich fragen wir die Natur: Wenn ich das und das mache, welche Antwort gibst du mir? Diese Antwort müssen wir dann auch ehrlich zur Kenntnis nehmen.
Finden Sie genug Nachwuchs?
Jein. Wir hatten im letzten Jahr durch Corona keinerlei Schwierigkeiten, an gute Mitarbeiter zu kommen, – weil die Firmen praktisch gar nicht eingestellt haben. Üblicherweise gehen aber viele Absolventen in die Industrie. In der Forschung müssen wir uns da umschauen. Das führt auch dazu, dass wir hier sehr internationale Teams haben. Es gibt hervorragende Leute aus Indien und China. Seltener sind Leute aus den USA hier.
Ist die hiesige Batterieentwicklung im internationalen Vergleich denn wettbewerbsfähig?
Es ist in Europa zu großen Teilen gelungen, den Entwicklungsvorsprung der Chinesen einzuholen. Die Europäer haben in den letzten Jahren zwei bis drei Mal mehr investiert als China. Und Deutschland hat sich vom Enfant terrible der Batterieproduktion zum Musterknaben entwickelt. Es gibt kein Land in Europa, in dem mehr Gigafactorys geplant oder gebaut werden.
Haben diese neuen Fabriken einen Einfluss auf die Forschungslandschaft – oder sind das reine Produktionsstätten?
Das ändert sich gerade. In den letzten zehn Jahren konnten Sie mit einer Industriefirma nur kooperieren, wenn Sie etwas gemacht haben, was genau in deren Portfolio gepasst hat. Das ist in Asien anders. Dort arbeiten große Firmen sehr langfristig mit Einrichtungen zur Grundlagenforschung zusammen. Aber jetzt, da wir fast auf Augenhöhe mit den Chinesen sind, scheint sich die Lage auch hier ein bisschen zu entspannen. Die Firmen scheinen mehr Interesse zu haben an Themen, die in den nächsten 20 bis 30 Jahren relevant werden könnten.
Chemie und Batteriedesign verbessern sich
Was kommt denn in Zukunft auf uns zu?
Die Ereignisse überstürzen sich etwas. Es gibt gleichzeitig Verbesserungen bei der Chemie und beim Batteriedesign. Allein bei der Anode kann man 30 bis 40 Prozent an Reichweite gewinnen, indem man dem Grafit speziell behandeltes Silizium beimischt, wie Varta das bereits macht. Und das Kathodenmaterial ist auch noch nicht am Ende.
Auf einem Batteriekongress im Februar haben die Teilnehmer darüber abgestimmt, was sie für das Batteriematerial der Zukunft halten. Das Ergebnis war Lithium-Eisenphosphat. Das hat mich etwas überrascht, denn das ist ja nichts wirklich Neues.
Lithium-Eisenphosphat hat Vorteile bei Kosten, Nachhaltigkeit und Sicherheit. Sie können einen Nagel in die Batterie reinschlagen und es passiert nichts. Zudem kostet es nur etwa ein Achtel des herkömmlichen NMC-Materials (siehe Kasten). Das heißt: Das Ziel von unter 100 Dollar Zellkosten pro Kilowattstunde, bei dem das Batterieauto billiger wird als der Verbrenner, wurde im Prinzip letztes Jahr erreicht. Interessanterweise hat McKinsey das in einer Studie von 2017 erst für 2030 vorhergesagt. Es ist unglaublich, was für eine Dynamik da drin ist.
Ich dachte immer, Lithium-Eisenphosphat sei wegen zu geringer Energiedichte aus dem Rennen.
Es war immer klar, dass das Material in dieser Hinsicht keine Chancen hat gegen NMC. Die Dichte von Lithium-Eisenphosphat ist 2,75, die von Kobaltoxid ist 6. Sie brauchen also mehr als das doppelte Volumen an Lithium-Eisenphosphat für die gleiche Kapazität. Aber das eigentliche Speichermaterial macht nur etwa 25 Prozent von einem Batteriepack aus, die Kathode nur 15 Prozent. Der Rest sind die Kollektorfolien, Gehäuse, Verdrahtung, Elektrolyt, Grafit und so weiter – also totes Material. Wenn ich nun die Kapazität der Kathode verdoppele, spare ich nur rund acht Prozent des gesamten Batteriegewichts.
Wie lässt sich bei der Gewichtseinsparung ein größerer Hebel nutzen?
Genau das machen Tesla und CATL sowie BYD. Statt kleinteiliger Zellen in Schokoladentafelgröße bauen sie eine Zelle, die man als Folie über den ganzen Pack ziehen kann. Die chinesische Version des Tesla Model 3 hat dadurch nur noch 4 statt 16 Module. CATL sagt, sie gewinnen dadurch 20 Prozent Raum für die Speichermaterialien und sparen 40 Prozent an Aufbau- und Verbindungstechnik. Das ist gigantisch.
Und was macht BYD?
BYD ist noch einen Schritt weiter gegangen. Ihre „Blade Battery“ ist eine etwa 15 Zentimeter dicke Platte im Unterboden. Wie sie es genau gemacht haben, weiß man noch nicht, aber sie sagen, sie haben für die Kathode 50 Prozent mehr Raum geschaffen. Und jetzt kommt Lithium-Eisenphosphat ins Spiel. Sie könnten natürlich diesen zusätzlichen Platz mit einem NMC-Material ausfüllen. Dann hätten Sie eine Batterie für 900 oder 1 000 Kilometer Reichweite. Aber mit Lithium-Eisenphosphat sind es immer noch 600 Kilometer.
Reicht ja.
Genau. Ich fahre seit fünf Jahren elektrisch. Ich brauche nicht unbedingt 900 Kilometer Reichweite. Ich finde es wichtiger, schnellladefähig zu sein.
Und bei der Schnellladefähigkeit sieht es bei Lithium-Eisenphosphat ja wieder ganz gut aus.
In der Formel 1 gibt es das „Kinetic Energy Recovery System“, KERS. Das ist eine Batterie, die beim Bremsen auflädt und beim Überholen wieder Energie abgibt. Lewis Hamilton hatte 2008 bei seinem ersten Weltmeistertitel ein KERS-System mit einer Lithium-Eisenphosphatbatterie im Kreuz. Vor allem, weil sie leicht und sicher ist. Das zeigt, welches Potenzial sie beim Schnellladen hat.
Hat Lithium-Eisenphosphat auch Nachteile?
Es wurde berichtet, dass Leute beim Tesla Model 3 mit Lithium-Eisenphosphat-Batterien im Winter Probleme mit der Schnellladefähigkeit hatten. Das liegt an der besonderen Struktur des Eisenphosphates. Es gibt aber eine technische Lösung: dünne Nickelfolien zwischen den Elektroden, die den Pack beim Beladen vortemperieren.
Wie sieht es mit der Haltbarkeit aus?
Wenn Sie heute ein Elektrofahrzeug kaufen, dann hält die Batterie etwa 2 000 Vollzyklen. Mit Lithium-Eisenphosphat können Sie 10 000 Zyklen machen. Bei 400 Kilometern Reichweite sind das vier Millionen Kilometer.
Wer braucht so etwas?
Wenn es tatsächlich dazu kommt, dass man autonome Autos per App bestellen kann, dann sind die fast rund um die Uhr unterwegs. Das entspricht 150 000 bis 200 000 Kilometern pro Jahr. Als Flottenbetreiber kann ich mich zwischen einem Verbrenner entscheiden, der nach zwei Jahren schon das Ende seiner Lebensdauer erreicht, und einem Elektroauto, das mindestens fünf Jahre fahren kann. Interessanterweise hat die amerikanische Firma Waymo vor ein paar Monaten bei Tesla 63 000 autonom fahrende Mini-Vans bestellt, obwohl es die noch gar nicht gibt. Das heißt, die haben einfach mal eine Milliarde Dollar Investment festgelegt auf etwas, was es noch nicht gibt. Das ist unglaublich! Das heißt umgekehrt aber auch, dass sie sich relativ sicher sind, was kommt.
Lange Zeit galt die Feststoffzelle wegen ihrer potenziellen Energiedichte als Zukunft der Batterietechnik. Wenn ich mir anhöre, was schon alles mit Lithium-Eisenphosphat geht – was kann die Feststoffzelle darüber hinaus eigentlich noch bieten?
Ich glaube, dass die Feststoffzelle durchaus ihre Berechtigung hat. Ich sehe aber nicht alles so rosig wie ihre Befürworter. Ihre Energiedichte kommt daher, dass man auf der Anodenseite metallisches Lithium verwendet. Allerdings bilden sich auf der Oberfläche des Lithiums beim fortgesetzten Be- und Entladen Nadeln, die dann durch die Zelle wachsen und einen Kurzschluss verursachen. Wenn wir einen festen statt einen flüssigen Elektrolyten nehmen, ist der erstens nicht mehr brennbar und verhindert zweitens, dass Dendriten da durchwachsen. Trotzdem haben wir immer unverdünntes Lithium, das an feuchter Luft anfangen könnte zu brennen, zum Beispiel bei einem Unfall. Zudem sind Feststoffzellen aus lauter dünnen Keramikschichten aufgebaut. Ich kann noch nicht sagen, ob so ein System im alltäglichen Betrieb sicher und robust genug sein wird. Und vor allem: Bei der klassischen Batterie haben wir einen dramatischen Abfall der Kosten. Das wissen wir bei der Feststoffzelle noch nicht.
Was ist sonst noch zu erwarten?
Der Stationärmarkt, also etwa Hausspeicher oder Pufferspeicher für das Stromnetz, boomt im Augenblick unglaublich. Wir haben 40 Prozent Zuwachs pro Jahr. In Australien konnte man dank großer Batterien von Tesla zwei Kohlekraftwerke abschalten, die nur zur Netzstabilisierung da waren. Batterien sind ja in den letzten zehn Jahren um 90 Prozent billiger geworden. Das setzt sich weiter fort. Ab einem bestimmten Punkt können Sie auch über Speicher nachdenken, die eine Versorgung über mehrere Tage ermöglichen, sodass keine Saisonalspeicher mehr benötigt werden. Dafür muss aber eine andere Chemie her, auf der Basis von Rohstoffen, die häufiger vorkommen.
Auf Basis von Natrium-Ionen, nehme ich an?
Das ist im Augenblick am weitesten fortgeschritten. CATL will jetzt als größter Batterieproduzent weltweit Natrium-Ionen-Batterien produzieren. Zunächst wollen sie damit Bleibatterien ersetzen, dann Zwei- und Dreiräder ausrüsten und dann in den stationären Markt gehen. Sie sagen, dass das Material für Natrium-Ionen-Batterien zwei bis drei Mal billiger ist als Lithium-Eisenphosphat. Ich glaube, wir werden uns noch wundern, was noch alles möglich sein wird. Ich verfolge das mit großen Augen wie ein kleines Kind.
Quelle; heise
