Die Zukunft der Batterien kann nur im Hinblick auf ihre historische Entwicklung untersucht werden, wie Jean-Marie Tarascon in diesem Dokument ausführlich darlegt und im Folgenden zusammenfasst:
- 1859: Erste Blei-Säure-Batterie von Gaston Planté. Wie in der Abbildung unten dargestellt, findet an jeder Elektrode eine Materialumwandlung statt, wobei sich Stoffe zwischen den Elektroden bewegen.
Elektrochemie von Blei-Säure-Batterien – Quelle: Jean-Marie Tarascon, Collège de France
- 1980:LiCoO2ist das erste Material, das für die Lithium-Ionen-Einlagerung an der positiven Elektrode entwickelt wurde.
- 1900: Waldmar Jungner entdeckt das Prinzip der Nickel-Cadmium-Batterie (Ni-Cd) mit einem Einlegematerial an der positiven Elektrode (keine Materialumwandlung).
- 1947: Die erste Vermarktung einer Ni-Cd-Batterie;
- 1975: Erfindung eines Nickel-Metallhydrid-Akkus (NIMH) durch A. Percheron und J.H. Van Vucht mit Einfügungsmaterialien an beiden Elektroden (keine Umwandlung des Materials);
Einlagerungsmaterialien an Kathode und Anode einer Lithiumbatterie – Quelle: Jean-Marie Tarascon – Collège de France
Dies ist das berühmte „Schaukelstuhlprinzip“, bei dem Lithium-Ionen ohne chemische Umwandlung von einer Elektrode zur anderen wandern.
- 1988: Erste Vermarktung einer NiMH-Batterie durch Toshiba ;
- 1991: Erste Vermarktung einer Lithium-Ionen-Zelle mitLiCoO2 als aktivem Material;
- 2000–2010: Entwicklung und Vermarktung von Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt für Unterhaltungselektronik (siehe Abbildung unten von Avicenne), hauptsächlich mitLiCoO2-Aktivmaterial;
Entwicklung des weltweiten Batteriemarktes (ohne Blei-Säure-Batterien) zwischen 1990 und 2015 – Quelle: Avicenne Energy
Zwischen der Entdeckung einer neuen elektrochemischen Zelltechnologie und ihrer Entwicklung für den Massenmarkt sind 20 bis 30 Jahre vergangen. Man könnte feststellen, dass sich für eine Verbesserung der Lithium-Ionen-Technologie, wie beispielsweise die Entwicklung hin zu NMC (LiNi1/3Mn1/3Co1/302), die Zeit bis zur Markteinführung verkürzt hat:
- 2001: Erfindung des aktiven MaterialsLiNi1/3Mn1/3Co1/302
- 2005: Beginn der Vermarktung für Nischenmärkte
- 2010: Produktion in großem Maßstab
Verkäufe von positiven Elektroden zwischen 2000 und 2015 – Quelle: Avicenne Energy
Zukünftige Batteriematerialien und Prognose zur Markteinführung – Quelle: Avicenne Energy
Wenn zwischen 2015 und 2020 neue Kathodenmaterialien für Batterien erwartet werden, dann handelt es sich dabei um Materialien, die eine Erhöhung der Spannung von Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen und mit einem Elektrolyten kombiniert werden müssen, der 5 V standhält. Ein solcher Elektrolyt existiert heute noch nicht, dürfte aber im Zeitraum 2020-2025 ausgereift sein.
Die Lithium-Schwefel-Technologie ist die nächste vielversprechende Technologie, mit der die Energiedichte um 10 bis 20 % gesteigert werden kann. Diese Technologie dürfte zwischen 2024 und 2028 auf den Markt kommen. Oxis Energy ist ein Start-up-Unternehmen, das daran arbeitet, diese Technologie auf den Massenmarkt zu bringen. Die Lithium-Luft-Technologie wird voraussichtlich nicht vor 2030 auf den Markt kommen.
Die Festelektrolytbatterien sind ebenfalls vielversprechende Technologien zur Senkung der Batteriekosten dank eines vereinfachten Herstellungsprozesses. Avicenne prognostiziert eine Markteinführung um das Jahr 2030. Toyota gibt an, an diesem Thema zu arbeiten, ebenso wie Bosch, das das amerikanische Start-up Seeo gekauft hat.
Die nahe Zukunft der Batterietechnologie gehört der klassischen Lithium-Ionen-Technologie. Mögliche Verbesserungen dieser Technologie sind bereits identifiziert. Dies gibt Anlass zu Optimismus für die langfristige Zukunft der Batterietechnologie.
Bonus: Link zu einem sehr anschaulichen Kurs über Batteriezellentechnologie von EV Tech explained.
