Moderne Gesellschaften sind in hohem Maße auf Batterien angewiesen, denn sie ermöglichen eine flexible und zuverlässige Energieversorgung, indem sie Energie speichern und bei Bedarf wieder abgeben. Das Funktionsprinzip ist bei allen Batterietypen identisch, die verwendeten Materialen können jedoch variieren und die Leistung, Energiedichte, Lebensdauer und Umweltverträglichkeit der jeweiligen Batterietechnologie beeinflussen.
Seit Jahrzehnten dominieren Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) bereits den Markt der elektrochemischen Energiespeicher und stellen den technologischen Benchmark für zahlreiche Anwendungen dar. Ihre hohe Energiedichte, Effizienz und industrielle Reife machen sie aktuell zur leistungsfähigsten und wirtschaftlichsten Lösung.
Gleichzeitig werden jedoch ihre technologischen, ökonomischen und ökologischen Grenzen zunehmend sichtbar. Insbesondere Rohstoffabhängigkeiten sowie Sicherheitsaspekte bewegen die europäische Industrie, Forschung und Politik dazu, ergänzende Batterietechnologien zu entwickeln. Infolgedessen diversifiziert sich die Landschaft der Metall-Ionen-Batterien zunehmend. Neue Materialsysteme und Zellkonzepte werden gezielt erforscht und weiterentwickelt, um spezifische Anforderungen besser zu adressieren.
Diese sogenannten »Next Generation«-Batterien lassen sich anwendungsspezifisch auslegen und können so effizient spezifische Marktsegmente bedienen. Je nach Anwendungsbereich werden die nötigen Fähigkeiten bezüglich Energiedichte oder Sicherheit verstärkt und weniger relevante eher vernachlässigt.
Auch die Fraunhofer FFB sieht Natrium-Ionen-Batteriezelltechnologie als relevantes Forschungsfeld. Gemeinsam mit diversen Partnern forscht die FFB zu SIBs; unter anderem mit dem Ziel einer Grundlagenschaffung für eine weitere Industrialisierung der Technologie. Um Ihnen einen Eindruck dieses Forschungsfeldes der Fraunhofer FFB bieten zu können, finden Sie hier einige unserer Projekte. Möchten Sie mehr erfahren? Wenden Sie sich gern an unsere Expert*innen. Die Kontaktdaten finden Sie auf den jeweils verlinkten Projektseiten.
In den beiden Projekten von SIB:DE zu Forschung und zu Entwicklung verfolgen die Fraunhofer FFB sowie diverse Partner das Ziel, eine nachhaltige, sichere und wirtschaftliche Altertative zu Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln, die Eignung von Natrium-Ionen-Technologie für die europäische Energie- und Mobilitätswende zu evaluieren und eine industrielle Skalierung voranzutreiben.
Dabei können die Beteiligten bei der Fertigung der Aktivmaterialien sowie von der Prozessierung bis zur Zell- und Modulebene auf bestehende Infrastrukturen und prozesstechnisches Know-how aus LIB-Produktionen zurückgreifen.
Im Rahmen des Forschungsprojekt von Fraunhofer FFB, MEET der Universität Münster, PEM der RWTH Aachen, PEM Motion, dem Institut für betriebswissenschaftliches Management der Universität Münster, Hoppecke Batterien, E-Lyte und SCIRES Consulting wird ein nachhaltiges elektrochemisches Speicherkonzept auf Grundlage der Natrium-Ionen-Technologie konzipiert. Die Basis bilden dabei lokale Wertschöpfungsketten nach der Materialbeschaffung. Das Konzept ist auf Speicherlösungen für USV ausgelegt.
Gemeinsam mit Fraunhofer ICT, Fraunhofer IPT, Voltfang, HI MS; IMD-4 und Manugy forscht die Fraunhofer FFB zur Entwicklung und Produktion von sicheren, langlebigen und skalierbaren SIBs für stationäre Anwendungen. Es werden SIBs mit einem neuen Elektrolyten entwickelt, um besonders sichere und langlebig Natrium-Ionen-Batterien produzieren zu können.
Aufgrund ihrer Vorteile und relativ fortgeschrittenen technologischen Reifegrades, werden SIBs als verlässliche Ergänzung zu LIBs betrachtet, welche sie jedoch langfristig nicht ersetzen werden.
Eine kürzlich veröffentliche Studie eines Forschungsteams der Fraunhofer FFB, der Universität Münster, der ETH Zürich und der Stanford University stellte fest, dass Batterietechnologien in hohem Maße aufeinander aufbauen. Es bestehen erhebliche Wissensflüsse innerhalb und zwischen LIB- und SIB-Batterietechnologien. Diese technologischen Interdependenzen basieren auf gemeinsamen Wissensverläufen über Materialkonzepte, Zellarchitekturen und Produktionsprozesse. Diese Wissensübertragungen können sowohl auf Produkt-, als auch auf Prozessebene festgestellt werden, was die Verflechtung von Fertigungs- und Designwissen über chemische Batterietechnologien hinweg unterstreicht. Bereits akkumuliertes Wissen aus LIB-Technologien beeinflusst somit laut den Forschenden maßgeblich die Entwicklung neuer Batterietechnologien wie SIBs.
Ein technologischer Neustart im Bereich der SIBs ohne vorherige Kenntnisse über Design, Funktionsweise und Fertigung von LIBs erweist sich somit als deutlich schwieriger als zuvor angenommen. Etablierte Marktakteure verfügen aufgrund von Erfahrungswissen, chemieübergreifenden Produktions- und Designkompetenzen sowie potenziell vorhandener Infrastruktur über strukturelle Vorteile gegenüber Neueinsteigern hinsichtlich der Forschung und Produktion von Next Generation Batterien. Dies kann zu erhöhten Markteintrittsbarrieren führen, da sie nicht auf Jahrzehnte gewachsenes Wissen sowie bestehende Infrastruktur und Wertschöpfungsketten zurückgreifen können.
Daraus kann geschlussfolgert werden, dass Unternehmen und sogar Länder, die bisher nicht zu den führenden Akteuren im Batteriemarkt zählen, dementsprechend bestehende technologische Pfadabhängigkeiten nicht ohne Weiteres umgehen können, indem sie direkt auf »Next Generation«-Batterien setzen.
Politik, Industrie und Forschung sollten Metall-Ionen-Batterien somit als wechselseitig abhängige Technologien betrachten und nicht als voneinander isolierte Wissenssysteme. Der Fokus sollte auf die Unterstützung integrierter Forschungs- und Entwicklungsmethoden sowie Plattformfähigkeiten gelegt werden, welche die Kompatibilität der Herstellung und das vorhandene Design Know-how über diverse Batteriezelltypen hinweg nutzbar machen.
Statt einer Post-Lithium-Ionen Ära zeichnet sich somit eher eine Phase technologischer Koexistenz und wechselseitiger Weiterentwicklung ab.
Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB