Warum Daimler und Hydro-Québec bei zukünftigen Batterietechnologien kooperieren

Die Batterietechnologie ist eine Schlüsselkomponente der Elektromobilität und hat in den letzten Jahren beträchtliche Fortschritte gemacht. Lithium-Ionen-Batterien sind heute die am häufigsten verwendeten Batterietypen in der Elektronik und in Elektrofahrzeugen. In den kommenden Jahren wird diese Technologie weiterhin das Tempo vorgeben, aber es ist noch mehr zu erwarten.

Die Batterie ist kein Standardprodukt, sondern integraler Bestandteil der Fahrzeugarchitektur. Die Intelligenz der Batterie liegt in einem hochkomplexen Gesamtsystem, das die Eigenschaften des Fahrzeugs in Bezug auf Leistung, Reichweite und Ladezeiten definiert. Im Rahmen ihrer Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten schließt die Mercedes-Benz AG eine Entwicklungspartnerschaft mit dem kanadischen Batteriematerialspezialisten Hydro-Québec für zukünftige Technologiesprünge von Elektrofahrzeugen. Schwerpunkt der Zusammenarbeit: Festkörperbatterien.

Ein Gespräch mit Prof. Andreas Hintennach, Senior Manager Battery Research bei der Mercedes-Benz AG und Karim Zaghib, General Manager des Center of Excellence in Transportation Electrification and Energy Storage von Hydro-Québec.

Andreas Hintennach, Senior Manager Battery Research bei der Mercedes-Benz AG.

Bei der Elektrifizierung des Automobils drückt Mercedes-Benz mächtig aufs Tempo – daher ist die Batterie die wichtigste Komponente. Allerdings hat es den Anschein, dass die "ultimative Batterie" noch nicht in Sicht ist – wie gehen Sie mit dieser Unsicherheit um?

Andreas Hintennach: Während unser neues EQC-Modell in die Märkte eingeführt wird, ebnen wir bereits den Weg für die nächsten Generationen leistungsstarker Elektrofahrzeuge. Die Lithium-Ionen-Technologie ist derzeit die leistungsfähigste Batterietechnologie, die zur Verfügung steht, und sie verfügt noch über großes Zukunftspotenzial. Trotzdem arbeiten wir fortlaufend an Optimierungen und Alternativen, die über die Möglichkeiten von Li-Ionen-Batterien hinausgehen – nicht zuletzt hinsichtlich der Energiedichte und der Ladezeiten, aber auch mit Blick auf die Nachhaltigkeit. Unsere Kompetenzen für die technologische Bewertung von Materialien und Zellen sowie die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten werden konsequent ausgebaut.

Wie sehen denn Ihre Aktivitäten für diese Technologiesprünge bei Mercedes-Benz aus?

Hintennach: Zu unseren Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten gehören die kontinuierliche Optimierung der aktuellen Generation von Li-Ionen-Akkusystemen, die Weiterentwicklung von auf dem Weltmarkt gekauften Zellen und die Forschung an Batteriesystemen der nächsten Generation. Man muss den Mechanismus derTechnologien wirklich gut verstehen, um die richtigen Entscheidungen treffen zu können. Aber wir arbeiten nicht unter einer Glasglocke – erfolgreiche Forschung und Entwicklung basiert auf Austausch, Diskussionen und einem stets wachen Blick für neue Möglichkeiten. Die Suche nach dem Heiligen Gral bedeutet weltweite und branchenübergreifende Teamarbeit. Aus diesem Grund halten wir immer Ausschau nach Kooperationen und Partnerschaften mit starken Branchenpartnern und wissenschaftlichen Instituten rund um den Globus. Wir sind sehr glücklich darüber, dass Hydro-Québec jetzt mit uns zusammenarbeitet.

Karim Zaghib, General Manager des Center of Excellence von Hydro-Québec.

Karim, wie sieht Ihre Vision zukünftiger Batterietechnologien aus?

Karim Zaghib: Unsere Vision ist sehr klar: Wir wollen Energie für eine nachhaltige Zukunft neu erfinden. Unser Ziel ist die Entwicklung von Hochleistungs-Batterietechnologien und Speichersystemen, die die Elektrifizierung des Verkehrs beschleunigen und es ermöglichen, weltweit mehr erneuerbare Energie in die Stromnetze zubringen. Wenn wir zukünftigen Generationen einen lebenswerten Planeten hinterlassen wollen, dann ist jetzt der Zeitpunkt gekommen, um zu handeln.

An welchen Themen arbeiten Sie momentan?

Zaghib: Der Fokus meines Zentrums richtet sich auf fortschrittliche Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien. Wir haben in den 90er-Jahren bereits eine Festkörperbatterie der ersten Generation entwickelt und unsere Forschung und Entwicklung zur Verbesserung der Effizienz und der Herstellungsverfahren kontinuierlich fortgesetzt. Festkörper-Lithium-Metall-Batterien gelten als nächster wichtiger technischer Meilenstein. Sie haben eine sehr hohe Energiedichte, sie sind langlebig, sehr leicht und darüber hinaus eine sichere Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Mit unseren neuesten Entwicklungen haben wir sehr vielversprechende Ergebnisse erzielt.

Wie passen die Aktivitäten von Hydro-Québec und Daimler zusammen?

Zaghib: Wir freuen uns, mit Mercedes-Benz, einem Automobilunternehmen mit ausgezeichnetem Ruf, eine Partnerschaft einzugehen, um unsere Forschung weiter voranzutreiben. Unser Entwicklungsprogramm wird es uns ermöglichen, neue Materialien schnell unter Feldbedingungen zu testen und so den Entwicklungszyklus zu beschleunigen und damit auf die Anliegen der Automobilhersteller einzugehen.

Was genau ist der Unterschied zwischen der heutigen Li-Ionen-Technologie und der Festkörpertechnologie?

Zaghib: Festkörperbatterien verwenden ein Elektrolyt aus festem Material anstelle des üblicherweise flüssigen Elektrolyts. Die Elektroden bestehen ebenfalls aus festem Material. Das Elektrolyt hat die Aufgabe, Ionen zwischen den Elektroden hin und her zu transportieren, während die Batterie sich lädt und entlädt. Festelektrolyte eröffnen die Möglichkeit, neue Anodenarten zu verwenden, wie etwa Lithium-Metall-Anoden, die eine höhere Energiedichte als die heutigen Graphitanoden bei gleichzeitig optimierter Sicherheit bieten. Es ist ein sehr spannendes Forschungsgebiet, das noch viele Möglichkeiten bereithält.

Wir haben in letzter Zeit bereits viel über Festkörperbatterien gehört. Wie steht es um die Marktreife?

Hintennach: Aufgrund des besonderen Fahrprofils von Pkw und Lkw ist die Energiedichte der Technologie momentan noch nicht wirklich ausreichend. Außerdem dauert das Laden von Festkörperzellen noch zu lange. Mit anderen Worten, bislang bietet sie keinerlei Vorteile gegenüber der Lithium-Ionen-Technologie. Es ist noch einiges an Forschungsarbeit zu leisten. Das heißt, wir suchen nach einer höheren Energiedichte und nach Wegen, wie wir dorthin gelangen. Bei Bussen sollte es möglich sein, bereits in den frühen 2020er Jahren Anwendungsfälle zu entwickeln, weil ihr Fahrprofil sehr gut vorhersehbar ist und Platz keine so große Rolle spielt wie bei einem Pkw. Lkw stellen die größte Herausforderung dar, weil die elektrische und volumetrische Dichte sehr hoch sein muss und auch Schnellladen eine wichtige Rolle spielt. Nahezu alle Festkörper-Ionenleiter scheitern bislang in dieser Hinsicht.

Welche Möglichkeiten sehen Sie, um die Marktreife zu erreichen?

Zaghib: Die Lithium-Ionen-Chemie ist eine sehr leistungsstarke Chemie mit großem Potenzial. Die Umstellung von Lithium-Ionen- auf Festkörperbatterien wird nicht über Nacht erfolgen. Trotz der ersten Generation von Lithium-Metall-Polymer-Festkörper-Batterien mit moderater Energiedichte sind weitere Festkörperlösungen noch nicht produktionsreif. Sie sind es aber auf jeden Fall wert weiter verfolgt zu werden, weil sie einige entscheidende Vorteile bieten. Zu beachten ist, dass bei Festkörperbatterien sowohl die Elektrode als auch das Elektrolyt aus festem Material bestehen. Neue Generationen dieser Materialien werden schnell aufladbar sein und sind im Grunde nicht brennbar. Was wir definitiv sagen können ist, dass die Festkörperbatterie-Technologie in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt hat. Momentan arbeiten wir zum Beispiel an einer Keramiklösung. Es können sowohl Polymer- als auch keramische Festelektrolyte verwendet werden. Sie haben unterschiedliche Eigenschaften und könnten sich jeweils für unterschiedliche Anwendungsfälle eignen. Insbesondere Keramikmaterialien bieten eine sehr hohe Stabilität gegenüber hohen Temperaturen und können solche hohen Temperaturen zum Beispiel auch bei Schnellladeprozessen sehr gut vertragen.

Können Sie verstehen, dass Kunden beim Kauf von Elektrofahrzeugen noch zögern und lieber auf die nächste Technologie warten?

Hintennach: In der Automobilbranche gibt es eine spezifische Regel: Sie können nicht jedes Jahr eine technologische Revolution starten. Selbstverständlich wird die Batterie in den kommenden Jahren kontinuierlich verbessert und sich auch in technologischer Hinsicht verändern. Außerdem gehen wir davon aus, dass sie günstiger wird. Aber als Hersteller muss man natürlich auch darauf achten, wie man diese Varianz händelt. Wir sehen in der Theorie, dass die Effizienz der Zelle in jedem Jahr um einen gewissen Prozentsatz steigt. Das bedeutet aber nicht, dass unsere Zelllieferanten deshalb jedes Jahr mit einem neuen Produkt herauskommen. Bevor Sie in der Lage sind, eine neue Technologie in einem Fahrzeug anzuwenden, ist ein großer Evaluierungs-, Prüf-, Validierungs- und Zertifizierungsaufwand erforderlich. Die Bemühungen werden nicht unter ein bestimmtes Niveau abfallen; es wird nicht jedes Jahr eine neue marktreife Zellentechnologie enstehen. Es wird ähnlich verlaufen wie bei den heutigen Fahrzeugzyklen – alle drei bis vier Jahre gibt es eine neue Variante.

Wie wichtig ist Nachhaltigkeit für Ihre Entwicklungsarbeit?

Zaghib: (lacht) Nachhaltigkeit ist das Allerwichtigste! Andernfalls würde ich diesen Job nicht schon 30 Jahre lang machen. In puncto Nachhaltigkeit von Batterien lautet die entscheidende Frage, wie sich die Batterie nachhaltig entwickeln und produzieren lässt. Wir müssen effiziente Recycling-Technologien für Batterien weiterentwickeln. Dabei spielt die Materialwahl eine maßgebliche Rolle. Wir verfügen über langjährige Erfahrung mit nachhaltigen Materialien und ihrer Anwendung in großen Zellen und Batteriepacks.

Sind Festkörperbatterien der definitive Nachfolger von Lithium-Ionen-Batterien?

Hintennach: Sie sind ein Begleiter – kein Nachfolger, und zwar aus einem ganz einfachen Grund. Die Energiedichte ist in Festkörperbatterien sehr hoch, nicht aber die Leistungsdichte. Das heißt, bei Anwendungen, wo die Batterie etwas größer ausfällt – also beginnend bei mittelgroßen Pkw – reicht die Leistung nicht aus. Wenn Sie also eine große Leistung in einem kleinen Paket benötigen, wie etwa einem Sportwagen, ist es vermutlich die falsche Lösung. Außerdem ist bei der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie noch viel Luft nach oben. Wir werden in der Zukunft mehrere Technologien sehen. Es kommt ganz auf die Anwendung an.''

Zaghib: Das sehe ich ganz genauso. Für eine nachhaltige Zukunft werden wir unterschiedliche Energiespeichertechnologien benötigen. Es gibt kein Patentrezept für alle Branchen und Anwendungen.

Was fasziniert Sie am meisten an Ihrem Forschungsgebiet?

Zaghib: Die Energiewende ist seit Jahrzehnten die spannendste Zeit für die Branche. Es entstehen vollkommen neue Märkte. Die Entwicklung ist unglaublich und es macht mich glücklich, auf einem Gebiet mit so viel Potenzial zu arbeiten.

Hintennach: Mein Team und ich fokussieren uns in erster Linie auf die langfristige Verbesserung der Batterie. Wir blicken in die Zukunft und arbeiten an den Antworten auf Fragen, die in 10 bis 15 Jahren gestellt werden. Den technischen Fortschritt kontinuierlich weiter voranzutreiben ist sehr spannend. Wir lernen jeden Tag etwas Neues.

Hydro-Québec und sein Center of Excellence in Transportation Electrification and Energy Storage ist ein Innovationsstandort von Weltrang im Bereich Batteriematerialien für Elektrofahrzeuge und andere stationäre und mobile Anwendungen der Energiespeicherung. Unter der Leitung von Karim Zaghib, einem international renommierten Experten, beschäftigt das Zentrum ein hochkarätiges Team, das an der Revolutionierung der Energiebranche arbeitet. Zaghib wurde kürzlich zum dritten Mal in Folge als einer der einflussreichsten Wissenschaftler der Welt ausgezeichnet. Das Exzellenzzentrum vermarktet Hydro-Québec-Technologien, die durch über hundert Patentfamilien geschützt sind.

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