Mögliche Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien

Keine Frage, Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihres breiten Einsatzspektrums etwa in Elektrofahrzeugen oder in stationären und mobilen Endgeräten die aktuell dominierende Batterietechnologie. Zwar gibt es den dafür nötigen, nicht nachwachsenden Rohstoff Lithium häufig auf der Erde, allerdings nur in sehr niedrigen Konzentrationen. Die Vorkommen des silberweißen Leichtmetalls liegen zu einem Großteil in Chile und Australien. In jedem Land gibt es unterschiedliche und teils komplizierte Rahmenbedingungen zum Abbau des Lithiums.

Mit Blick auf die geopolitischen Abhängigkeiten und Lieferbeziehungen hat das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe alternative Batterietechnologien untersucht − darunter vornehmlich Metall-Ionen-, Metall-Schwefel-, Metall-Luft- und Redox-Flow-Batterien. Die Ergebnisse veröffentlichten sie am 14. September in einer Roadmap.

„In Deutschland und Europa bestehen noch etliche Herausforderungen, wie die Verringerung von Rohstoffabhängigkeiten, die Sicherung des Zugangs zu Batteriezellen und vorgelagerten Lieferketten sowie Anstrengungen zur Senkung des Ressourcenverbrauchs bis hin zum Aufbau einer Recyclingwirtschaft“, schreiben die Autoren der Roadmap. Dabei stelle sich die Frage, ob und welche alternativen Batterietechnologien helfen könnten, die Abhängigkeiten bei gleichzeitig steigendem Bedarf zu verringern.

Die technologiespezifischen Vor- und Nachteile der alternativen Batterietechnologien, deren Anwendungsgebiete, Märkte und Lieferketten werden in der Roadmap analysiert. Auch die Kosten und die industrielle Skalierbarkeit sind Inhalte. So auch mögliche Handlungsfelder für die EU und Deutschland im Hinblick auf die Technologiesouveränität. 
 
Alternative Batterietypen wie Metall-Ionen oder Metall-Luft-Batterien bieten, wie die Forschenden anmerken, ein hohes Potenzial für mehr Nachhaltigkeit, geringere Kosten und weniger Ressourcenverbrauch. Jedoch wiesen sie eine geringere Technologiereife auf. Aufgrund ihrer zum Teil vergleichsweise geringeren Energiedichte würden alternative Batterietechnologien größere Mengen an Rohstoffen benötigen, um die gleiche Speicherkapazität zu erzielen. Jedoch: Viele der nicht auf Lithium basierenden Technologien benötigten dafür weniger kritische Rohstoffe. Gerade die Produktion und Versorgung mit Lithium, Nickel und Kobalt stufen die Fraunhofer Forscher vor allem in den nächsten fünf bis zehn Jahren als „vorerst kritisch“ ein.

Vielversprechend seien Metall-Ionen-Batterien − wie etwa Natrium-Ionen oder Zink-Ionen-Batterien. Deren Produktionsschritte würden denen von Lithium-Ionen-Batterien sehr ähneln. Bestehende Produktionstechnologien und -umgebungen könnten direkt genutzt werden oder müssten nur begrenzt angepasst werden, heißt es aus Karlsruhe.

Kosten wegen des geringeren Produktionsumfanges höher

Mit Blick auf die Kosten zeigen sich die Forschenden abwägend: Zwar hätten alternative Batterietypen potenziell niedrigere Materialkosten als ihr Lithium-Ionen-Pendant. Ihre Zellkosten dürften jedoch aufgrund des geringeren Produktionsumfanges anfangs höher liegen. Die Skalierung der Produktion bringe hierbei erhebliche Kostenvorteile mit sich, wofür aber ausreichen große Märkte und Anwendungen im GWh-Maßstab nötig seien.

Das Fazit von Fraunhofer: Lithium-Ionen-Batterien werden auch weiterhin den Markt dominieren. Ausgewählte alternative Batterietechnologien könnten aber in bestimmten Märkten und Anwendungen eine Entlastung von Rohstoff-, Produktions- und Lieferabhängigkeiten schaffen und damit zur Technologiesouveränität beitragen. Hierzu erforderlich seien jedoch weitere Anstrengungen im Bereich Forschung und Entwicklung in Deutschland.

Dr. Annegret Stephan, wissenschaftliche Koordinatorin der Roadmap am Fraunhofer ISI, weist auf den Unterstützungsbedarf seitens der Politik hin: „Gerade in der Anfangsphase, in der die zukünftige Marktentwicklung noch ungewiss ist, können Anreize für die Industrie hilfreich sein. Ein ganzheitlicher politischer Ansatz, der die gesamte Lieferkette, die Grundlagenforschung zu technologiespezifischen Fragen, Patenten, Produktionsprozessen, die Sicherung von Ressourcen und die Perspektiven von Endnutzenden berücksichtigt, ist hier essenziell.“

Die 112-seitige „Alternative Battery Technology Roadmap 30+“ steht auf der Internetseite des Fraunhofer ISI in englischer Sprache zum Download bereit.