Batterieforschung am Fraunhofer ISI

Die Studie Benchmarking International Battery Policies: Eine länderübergreifende Analyse der internationalen öffentlichen Batteriestrategien mit Fokus auf Deutschland, die EU, die USA, Südkorea, Japan und China (nur in Englisch verfügbar) vergleicht die Batteriepolitik der führenden Länder in der Batterieforschung und -industrie. Der Bericht analysiert ihre politischen und technischen Ziele, Leistungsindikatoren und Förderstrategien mit Schwerpunkt auf Lithium-Ionen-, Festkörper- und alternativen Batterien und gibt einen Überblick über den Status quo und die Entwicklung der globalen Situation. 

Die Roadmap zu Lithium-Ionen-Batterien (nur in Englisch verfügbar) konzentriert sich auf die Skalierungsaktivitäten der Batterieindustrie bis 2030 und betrachtet mögliche technologische Optionen, Ansätze und Lösungen für die Bereiche Materialien, Zellen, Produktion, Systeme und Recycling. In der Studie werden insbesondere drei Trends untersucht: Die Produktion von leistungsoptimierten, kostengünstigen und nachhaltigen Batterien.

Festkörperbatterien werden als sinnvolle Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten betrachtet. Auf der Grundlage einer Analyse aller Materialien und Konzeptoptionen wird eine Roadmap für Festkörperbatterien (nur in Englisch verfügbar) vorgestellt, die sich sowohl auf eine Literaturübersicht als auch auf Expertenmeinungen stützt. Diverse Zellkonzepte mit unterschiedlichen Festelektrolyten können bis zur Marktreife entwickelt werden, wobei es noch große Unsicherheiten hinsichtlich der Produktionswege, der Sicherheit und der Kosten gibt. Als eine der Schlüsselentwicklungen scheint es, dass hybride Material- und Zellkonzepte auf dem Weg zur Kommerzialisierung besonders erfolgreich sein können.

Der Umfeldbericht Natrium-Ionen-Batterien 2023: Status Quo und Perspektiven entlang einer zukünftigen Wertschöpfungskette stellt aktuelle technologische Entwicklungen und Herausforderungen zu SIB von den Aktivmaterialien über die Zellfertigung bis hin zu den ersten Anwendungen dar. Im Bericht werden im Detail industrielle Entwicklungen in Europa und Asien diskutiert und Prognosen für die SIB-Produktion und Anwendungsmärkte dargestellt. Die Studie ist eine Gemeinschaftsarbeit der Fraunhofer ISI, Fraunhofer IPT, Fraunhofer FFB und des PEM der RWTH Aachen.

Die Roadmap zu alternativen Batterietechnologien (nur in Englisch verfügbar) befasst sich mit Potenzialen und Herausforderungen alternativer Batterietechnologien. Es werden vielversprechende Metall-Ionen-, Metall-Schwefel-, Metall-Luft- und Redox-Flow-Batterien anhand technischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte für den Zeitraum bis 2045 bewertet. Die Roadmap zeigt: Alternative Batterietechnologien bieten zwar nicht die gleiche umfassende Passfähigkeit wie Lithium-Ionen-Batterien, besitzen jedoch hohes Potenzial beispielsweise für mehr Nachhaltigkeit oder geringere Kosten und können Lithium-Ionen-Batterien in bestimmten Anwendungen ergänzen oder sogar ersetzen. Für einen Markteintritt oder die Verbreitung müssen jedoch bei vielen der betrachteten Technologien noch eine Reihe von Herausforderungen überwunden werden.

Die Roadmap zu Lithium-Ionen-Batterien (nur in Englisch verfügbar) konzentriert sich auf die Skalierungsaktivitäten der Batterieindustrie bis 2030 und betrachtet mögliche technologische Optionen, Ansätze und Lösungen für die Bereiche Materialien, Zellen, Produktion, Systeme und Recycling. In der Studie werden insbesondere drei Trends untersucht: Die Produktion von leistungsoptimierten, kostengünstigen und nachhaltigen Batterien.

Die Roadmap zu alternativen Batterietechnologien (nur in Englisch verfügbar) befasst sich mit Potenzialen und Herausforderungen alternativer Batterietechnologien. Es werden vielversprechende Metall-Ionen-, Metall-Schwefel-, Metall-Luft- und Redox-Flow-Batterien anhand technischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte für den Zeitraum bis 2045 bewertet. Die Roadmap zeigt: Alternative Batterietechnologien bieten zwar nicht die gleiche umfassende Passfähigkeit wie Lithium-Ionen-Batterien, besitzen jedoch hohes Potenzial beispielsweise für mehr Nachhaltigkeit oder geringere Kosten und können Lithium-Ionen-Batterien in bestimmten Anwendungen ergänzen oder sogar ersetzen. Für einen Markteintritt oder die Verbreitung müssen jedoch bei vielen der betrachteten Technologien noch eine Reihe von Herausforderungen überwunden werden.

Die Feststoffbatterie-Roadmap Solid-State Battery Roadmap 2035+ (nur in Englisch verfügbar) betrachtet ein weites Spektrum von der Material-, Komponenten- und Zell- bis hin zur Anwendungsebene. Darin werden bestehende sowie neueste Forschungserkenntnisse kritisch bewertet und die Entwicklungspotenziale von Feststoffbatterien mit denen etablierter Lithium-Ionen-Batterien für den Zeitraum der kommenden 10 Jahre verglichen. Die Roadmap zeigt: Feststoffbatterien haben viel Potenzial, müssen ihre Kommerzialisierbarkeit aber in den kommenden fünf Jahren unter Beweis stellen.

Die Energiespeicher-Roadmap 2017 aktualisiert alle bislang erarbeiteten Roadmaps. Sie widmet sich den Herausforderungen für Forschung und Entwicklung (FuE) von Hochenergie-Batterien, für welche derzeit weltweit massiv Zellproduktionskapazitäten ausgebaut werden. Zudem zeigen Langfristpotenziale für alternative Batterietechnologien auf, ob und welche Technologien jenseits 2030 in den Markt kommen könnten.

Die Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 aktualisiert und integriert die in 2010 und 2012 erschienene Technologie- und Produkt-Roadmap. Sie gibt einen umfassenden Überblick über den Stand und die Entwicklungspotenziale von Lithium-Ionen-Batterien für elektromobile und stationäre Anwendungen und bildet somit eine Klammer um die parallel erscheinenden Roadmaps »Energiespeicher für die Elektromobilität« und »Stationäre Energiespeicher«. Es werden die bis 2030 erwarteten Entwicklungen der Lithium-Ionen-Batterietechnologie und alternativer bzw. konkurrierender Energiespeicherlösungen skizziert und Abhängigkeiten zwischen Technologien für elektromobile und stationäre Anwendungen aufgezeigt. Langzeit-Szenarien bis 2050 erlauben es, Fragen der Rohstoffverfügbarkeit, des Einflusses technischen Fortschritts der Lithium-Ionen-Batterie sowie Marktveränderungen modellgestützt zu berücksichtigen.

In der Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 aus dem Jahr 2010 wurden die technologischen Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien von der Material- und Komponentenebene bis hin zu Zelltypen sowie komplementären und konkurrierenden Technologien inhaltlich erfasst und für den Zeitraum bis 2030 abgeschätzt. Die Roadmap hat grundsätzlich hinsichtlich der Aussagen und Zeiträume auch bis 2015 ihre Gültigkeit behalten und ist nunmehr auf System und Anwendungsebene anschlussfähig gemacht und ausdifferenziert worden.

Die Produkt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 aus dem Jahr 2012 zeigt für ein breites Spektrum von Anwendungen wie Elektro-Zweiräder, Hybrid- oder rein batterieelektrisch angetriebene Elektrofahrzeuge, Kleintransporter, Nutzfahrzeuge oder dezentrale und zentrale stationäre Anwendungen die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten und jeweils spezifischen Anforderungen an Lithium-Ionen-Batterien. Die Roadmap gilt weiterhin und ist hinsichtlich ihres Anwendungsspektrums mit der »Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030« nunmehr quantifiziert worden.

Die Gesamt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030 fokussiert BEV, PHEV und HEV. Gegenüber der Perspektive der Anforderungen an Elektrofahrzeuge und deren künftigen Entwicklung werden hier die konkreten Entwicklungspotenziale von Lithium-Ionen-Batterien und zukünftiger Generationen von elektrochemischen Energiespeichern beleuchtet. Damit verbindet die Roadmap die Technologie- und Produkt-Roadmap, indem die wahrscheinlichsten Entwicklungspfade von der Zell- und Systemebene bis in die Fahrzeugintegration aufgezeigt werden. Es werden Entwicklungen identifiziert, welche entsprechend für HEV, PHEV und BEV Potenziale aufweisen. Die Zeitpunkte, zu denen alle Anforderungen bzw. Herausforderungen technisch erreichbar sind und ein Technologiewechsel stattfinden könnte, werden identifiziert und detailliert diskutiert.

In der Technologie-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030 aus dem Jahr 2012 werden wesentliche Entwicklungspfade zukünftiger Batteriesysteme sowie deren Leistungsdaten und Schlüsselparameter, wie insbesondere Lebensdauer, Qualität und Sicherheit, quantifiziert und plausibel dargestellt. Der Fokus der Roadmap liegt auf der Betrachtung zentraler Energiespeichertechnologien, welche für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, genauer Plug-in Hybridfahrzeugen (PHEV) und rein batterieelektrisch angetriebener Elektrofahrzeuge (BEV) zukünftig als aussichtsreich gelten.

Die Produkt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030 berücksichtigt BEV, PHEV und HEV, allesamt als Innovationstreiber für die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie mit den höchsten Anforderungen insbesondere an Energiedichte und Kosten der Batterien. BEV stellen den mit Abstand wichtigsten Markt für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batteriezellen dar. Gegenüber heute mehrheitlich kostenoptimierten Modellen zeigt die Roadmap einen Weg für eine reichweitenoptimierte und bezahlbare Elektromobilität für die kommenden 10 bis 20 Jahre auf. Dazu werden auch fördernde und hemmende Rahmenbedingungen in diesem Zeitraum identifiziert und diskutiert.

In der Gesamt-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030 wird das Technologieangebot aus der Technologie-Roadmap ausgewählten Anwendungen bzw. Geschäftsmodellen aus der Produkt-Roadmap gegenübergestellt, in welchen die Lithium-Ionen-Batterie aktuell bzw. kurz- bis mittelfristig eingesetzt wird oder werden kann. Gegenüber der heute eingesetzten Referenztechnologie werden Substitutionsszenarien entwickelt, welche aufzeigen, wann eine alternative Technologie eine Verbesserung gegenüber dem jeweiligen Status quo erzielen. Betrachtet werden (1.) dezentrale, netzgekoppelte PV-Batteriesysteme zur Eigenbedarfsoptimierung, (2.) die Multi-purpose Eigenbedarfsoptimierung mit größeren Speichern gemeinsam mit dem Peak shaving sowie weiterhin (3.) die Direktvermarktung Erneuerbarer Energien (auf der Erzeugungs- bzw. Netzseite, z. B. in Inselnetzen) und (4.) die Regelleistung. Bei den betrachteten Technologien zeichnet sich ein differenziertes Bild ab, in welchem ganz unterschiedliche technische Lösungen attraktiv sind.

Die Technologie-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030 betrachtet ausgehend von heutigen Referenztechnologien in acht Klassen von Speichergrößen und typischen Lade- und Entladezeiten, welche Technologieentwicklungen alternativ bis zum Jahr 2030 in Aussicht stehen. Hinsichtlich ihrer Eigenschaften werden mit der Blei-Säure-Batterie als Referenz, Lithium-basierten und Redox-Flow-Batterien drei Technologien zu drei verschiedenen Zeitpunkten (aktuell, kurzfristig und mittel-/langfristig) bewertet.

Die Produkt-Roadmap stationäre Energiespeicher 2030 geht auf mögliche Anwendungen, Produkte bzw. Geschäftsmodelle für die in der Technologie-Roadmap dokumentierten Technologien ein und unterteilt dabei die Lokale (privat, gewerblicher Besitz), Verteilnetz- sowie Übertragungsnetzebene. Dazu werden Rahmenbedingungen diskutiert, welche fördernd für oder hemmend auf die Nachfrage nach elektrochemischen Energiespeichern wirken können. Anhand drei spezifischer Anwendungsfälle, (1.) der dezentralen, netzgekoppelten Photovoltaik (PV)-Batteriesysteme (On-Grid-PV) zur Eigenbedarfsoptimierung, (2.) der Eigenbedarfsoptimierung mit größeren Speichern (Campus/Gewerbe/Industrie) sowie (3.) dem industriellen Peak Shaving werden Anforderungen an die Leistungsparameter einer technischen Lösung identifiziert.

Analyse der Entwicklungspotenziale für LIB-Batteriezellformate im Hinblick auf Aktivmaterialien, Zelldesign, Zellherstellung und Zellsicherheit. Update 2022. (nur in Englisch verfügbar)

Analyse des Bedarfs an Fachkräften durch die schnell wachsende, europäische Batteriewirtschaft. (nur in Englisch verfügbar)

Future Expert Need in the Battery Sector – March 2021

Zusammenfassung und Klärung von zentralen Fragestellungen bzw. potenziellen Herausforderungen bei der Marktdiffusion von batterieelektrischen Fahrzeugen.

Batterien für Elektroautos: Faktencheck und Handlungsbedarf

Analyse von Entwicklungspotenzialen bzw. Optimierungsmöglichkeiten von zylindrischen-, Pouch- und prismatischen Zellen.

Entwicklungsperspektiven für Zellformate von Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität

Die VDMA Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030 (Update 2023) adressiert die Weiterentwicklung der Produktionstechnik. Die Roadmap fand seit ihrer Erstveröffentlichung 2014 weltweit Beachtung, viele Vorschläge wurden aufgegriffen und implementiert. Der zielorientierte Dialog zwischen Batterieproduzenten, Produktionsforschung und dem Maschinen- und Anlagenbau wurde fortgeführt, auch unter Einbeziehung der Erfahrung mit ausländischen Kompetenzträgern.

Die VDMA Roadmap Batterieproduktionsmittel 2030 (Update 2020) adressiert die Weiterentwicklung der Produktionstechnik. Es werden zukünftige Anforderungen an den Batteriemaschinenbau diskutiert sowie Lösungsansätze des Maschinen- und Anlagenbaus formuliert. In insgesamt 14 Technologiekapiteln wurden Red Brick Walls identifiziert und entsprechend des aktuellen Stands der Technik diskutiert.

Die Roadmap baut auf den 2014, 2016 und 2018 erschienenen Veröffentlichungen auf.

Die VDMA Roadmap Batterieproduktionsmittel 2030 (Update 2018) adressiert die Weiterentwicklung der Produktionstechnik. Es werden zukünftige Anforderungen an den Batteriemaschinenbau diskutiert sowie Lösungsansätze des Maschinen- und Anlagenbaus formuliert.

Die Roadmap baut auf den 2014 und 2016 erschienenen Veröffentlichungen auf.

Die VDMA Roadmap Batterieproduktionsmittel 2030 (Update 2016) adressiert die Weiterentwicklung der Produktionstechnik. Es werden zukünftige Anforderungen an den Batteriemaschinenbau diskutiert sowie Lösungsansätze des Maschinen- und Anlagenbaus formuliert. In insgesamt 14 Technologiekapiteln wurden Red Brick Walls identifiziert und entsprechend des aktuellen Stands der Technik diskutiert.

Die Roadmap baut auf die 2014 erschienene Veröffentlichung auf.

Der Umfeldbericht Natrium-Ionen-Batterien 2023: Status Quo und Perspektiven entlang einer zukünftigen Wertschöpfungskette stellt aktuelle technologische Entwicklungen und Herausforderungen zu SIB von den Aktivmaterialien über die Zellfertigung bis hin zu den ersten Anwendungen dar. Im Bericht werden im Detail industrielle Entwicklungen in Europa und Asien diskutiert und Prognosen für die SIB-Produktion und Anwendungsmärkte dargestellt. Die Studie ist eine Gemeinschaftsarbeit der Fraunhofer ISI, Fraunhofer IPT, Fraunhofer FFB und des PEM der RWTH Aachen.

Der Umfeldbericht gibt einen Überblick über die Situation von drei wichtigen Branchengruppen im Innovationssystem Batterie in Europa: Materialherstellung und Recycling, Maschinen- und Anlagenbau, Zellherstellung. Im Bericht werden aktuelle Herausforderungen dargestellt und das F&E-Angebot der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB gegenübergestellt.

Consentec; Fraunhofer ISI; Stiftung Umweltenergierecht (2022): Batteriespeicher in Netzen.Schlussbericht im Auftrag des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi).

Die Berichterstattung zum Elektromobilitätsgesetz (EmoG) begleitet das durch die deutsche Bundesregierung erlassene „Gesetz zur Bevorrechtigung der Verwendung elektrisch betriebener Fahrzeuge“ (kurz Elektromobilitätsgesetz bzw. EmoG). Dabei zeigt der Bericht Hintergründe des Gesetzes auf, verweist auf den Status Quo von Elektromobilität in Deutschland und diskutiert die konkrete Umsetzung sowie Handlungsempfehlungen für die Zukunft.

Das Update der Energiespeicher-Monitoring-Studie 2018 zeigt: China hat sich zwischen 2016 und 2018 zum Leitanbieter für Batterien und zum Leitmarkt für Batterien und Elektromobilität entwickelt.

Das Energiespeicher-Monitoring-Update 2016 umfasst 30 Einzelindikatoren verteilt auf die Kategorien Nachfrage, Marktstrukturen, Industrie sowie Forschung und Technologie. Das Energiespeicher-Monitoring 2016 ist somit direkt mit dem Energiespeicher-Monitoring 2014 vergleichbar.

Das Energiespeicher-Monitoring 2014 umfasst 30 Einzelindikatoren verteilt auf die Kategorien Nachfrage, Marktstrukturen, Industrie sowie Forschung und Technologie.

Zeitschriftenaufsatz in: Energy & Environmental Science, RSC, Cambridge (2024). Download

Die vorliegende Studie Recycling von Lithium-Ionen-Batterien: Chancen und Herausforderungen für den Maschinen- und Anlagenbau zielt auf die Quantifizierung dieser sekundären Effekte einer europäischen Recyclingindustrie. Dazu wurde ein Marktmodell des Fraunhofer ISI genutzt, um Prognosen für das Wachstum eines europäischen Batterierecyclingmarktes abzuleiten. Die Effekte für den Maschinen- und Anlagenbau wurden auf Grundlage von Interviewergebnissen mit Batterierecycling- und Anlagenexperten quantifiziert.

Download Quantifizierung Batterierecycling

Die Batterieindustrie strebt nach Nachhaltigkeit, um Umweltauswirkungen zu minimieren und soziale Verantwortung zu übernehmen. In Europa wird Nachhaltigkeit durch ein stabiles und wachsendes Batterie-Ökosystem angestrebt, inklusive Zugang zu Rohstoffen und technologischer Unabhängigkeit. Es gibt Bemühungen, die Produktion in Europa zu lokalisieren, europäische Rohstoffvorkommen zu nutzen und neue Vorschriften umzusetzen. Dennoch ist Europa noch stark von nicht-europäischen Quellen abhängig, was nachhaltigere Lösungen erfordert. (nur in Englisch verfügbar)

Sustainability pathways in a future European battery ecosystem

Inhalt sind die "Perspektiven einer klimaneutralen Batterieproduktion für Elektromobilität in Deutschland". Dabei wird versucht, trotz schlechter Datenverfügbarkeit, ein möglichst umfangreiches Bild über die Produktionsprozesse bei der Zellherstellung zu geben.

Batteriestandort auf Klimakurs

Circular battery design: investing in sustainability and profitability 

Zeitschriftenaufsatz in: Energy & Environmental Science, RSC, Cambridge (2024). 

A Roadmap for Solid-State Batteries 

Festkörperbatterien werden als sinnvolle Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten betrachtet. Auf der Grundlage einer Analyse aller Materialien und Konzeptoptionen wird eine Roadmap für Festkörperbatterien vorgestellt, die sich sowohl auf eine Literaturübersicht als auch auf Expertenmeinungen stützt. Diverse Zellkonzepte mit unterschiedlichen Festelektrolyten können bis zur Marktreife entwickelt werden, wobei es noch große Unsicherheiten hinsichtlich der Produktionswege, der Sicherheit und der Kosten gibt. Als eine der Schlüsselentwicklungen scheint es, dass hybride Material- und Zellkonzepte auf dem Weg zur Kommerzialisierung besonders erfolgreich sein können. (nur in Englisch verfügbar)

A forecast on future raw material demand and recycling potential of lithium-ion batteries in electric vehicles

Die Studie konzentriert sich auf die künftige Nachfrage nach den Kathodenrohstoffen Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan für Elektrofahrzeugbatterien unter Berücksichtigung verschiedener Technologie- und Wachstumsszenarien. Je nach Wachstums- und Technologieszenario übersteigt die künftige Nachfrage im Jahr 2040 nach Lithium und Kobalt die heutige Produktion um das bis zu Achtfache. Nickel übersteigt in einem Szenario die heutige Produktion. Bei Mangan bleibt die künftige Nachfrage im Jahr 2040 weit unter der heutigen Produktion. (nur in Englisch verfügbar)

Trends in Automotive Battery Cell Design: A Statistical Analysis of Empirical Data

Die Studie beschreibt Designtrends zu Li-Ionen-Batterien von der Pack- bis zur Elektrodenebene auf der Grundlage empirischer Daten, einschließlich Pack-Energie, Zellkapazität, äußere Zellabmessungen und -formate, Energiedichte, spezifische Energie und Elektrodeneigenschaften, wie z. B. Auswahl des Aktivmaterials, Porositäten und Schichtdicken. Die nach Marktanteilen gewichteten Ergebnisse deuten auf mehrere Trends hin, wie z. B. (1) zunehmende Zellabmessungen, (2) zunehmende Differenzierung zwischen Hochenergie oder kostengünstigen Kathoden- und Anodenmaterialien und (3) zunehmende Zellenenergie. (nur in Englisch verfügbar)