Allerdings werden Verbesserungen bei der Batterieleistung und den Kosten angestrebt, und obwohl die Fortschritte zunehmend schrittweise erfolgen, gibt es mehrere Wege zur kontinuierlichen Verbesserung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie.
Batterien:
Kurzfristig dürften sich die aktuellen Trends bei Batteriezellen für Elektrofahrzeuge fortsetzen. So steigt beispielsweise der durchschnittliche Nickelgehalt von NMC- und NCA-Batterien weiter an, um die Energiedichte zu erhöhen und den Kobaltgehalt zu senken. Der wohl bedeutendste Trend ist die allgemeine Verlagerung hin zu LFP, einer günstigeren und sichereren Alternative zu NMC und NCA (wenn auch nicht per se sicher). Obwohl die Energiedichte von LFP 30–40 % niedriger sein mag als die von NMC oder NCA, sind die Kostenvorteile in den letzten Jahren unbestreitbar geworden. Folglich ist der Anteil von LFP in Elektroautos gestiegen, wobei anzumerken ist, dass dieses Wachstum größtenteils auf die Wiedereinführung in China zurückzuführen ist. NMC und NCA bleiben in Europa und Nordamerika die bevorzugte Wahl, obwohl LFP nun auch auf dem Markt Fuß fasst. NMC-Batterien sind nach wie vor die bevorzugte Wahl für Komplettsysteme in anderen Fahrzeugsegmenten. Der Kostendruck, die Materialversorgung und technologische Verbesserungen deuten jedoch darauf hin, dass LFP seinen Marktanteil im Bereich der Elektrofahrzeuge weiter ausbauen wird.
Weitere bahnbrechende Fortschritte zeichnen sich ab. Die Entwicklung von Festkörperbatterien wird kontinuierlich vorangetrieben und einige werden bereits kommerzialisiert, beispielsweise durch die Polymer-Festkörperbatterien von Blue Solutions. Mit der Entwicklung fortschrittlicherer Siliziumanodenlösungen und marktreifer Produkte, die eine höhere Energiedichte und schnellere Ladezeiten versprechen, dürfte der Einsatz von Silizium als Anodenmaterial zunehmen. Auch neue Kathodenmaterialien werden erforscht. Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LMFP) bietet beispielsweise eine interessante Alternative mit dem Potenzial, viele Vorteile von LFP zu bieten und gleichzeitig die Energiedichte auf das Niveau von NMC-Batterien zu steigern, obwohl der kommerzielle Einsatz von LMFP noch begrenzt ist.
Weltweiter Marktanteil von Kathoden in batterieelektrischen Fahrzeugen. Quelle: IDTechEx.
Batteriedesign:
Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Leichtpolymerbatterien (LFP) in Elektrofahrzeugen gewinnt das Zell-zu-Zelle-Batteriedesign an Bedeutung. Diese Designs bieten eine höhere Packungseffizienz und steigern die Energiedichte, wodurch einer der Hauptnachteile von LFP im Vergleich zu NMC- oder NCA-Batterien verringert wird. CATL und BYD haben, ebenso wie Tesla, Stellantis und andere Hersteller, CTP-Designs implementiert. Zur Verbesserung der gravimetrischen Energiedichte werden leichte Polymergehäuse als Alternative zu Stahl- und Aluminiumgehäusen gefördert.
Andere Unternehmen wie CATL, NIO und Our Next Energy erforschen Dual-Chemie-Designs. Our Next Energy stellt das extremste Beispiel dar: Das Unternehmen plant, eine hochenergetische, aber kurzzyklische Chemie als langlebiges LFP zu kombinieren. Letztendlich könnten Kombinationen verschiedener Lithium-Ionen-Chemien oder sogar die Kombination von Lithium-Ionen mit Natrium-Ionen dazu beitragen, die unvermeidlichen Kompromisse zwischen Leistung, Energiedichte, Lebensdauer und Tieftemperaturverhalten zu optimieren.
Thermisches Management:
Angesichts von Sicherheitsrisiken, Bränden mit hoher Brandwirkung und Batterierückrufen sind thermisches Management und Brandschutz zu entscheidenden Aspekten für Elektrofahrzeugbatterien geworden. Während frühe Elektrofahrzeugmodelle passive Luftkühlung nutzten, hat die Flüssigkeitskühlung in den letzten Jahren in verschiedenen Fahrzeugsegmenten an Bedeutung gewonnen. Laut Daten von IDTechEx entfielen 90 % des Elektroautomarktes auf Fahrzeuge mit aktiver Flüssigkeitskühlung, gegenüber etwas über 50 % im Jahr 2015. Dieser Trend beschränkt sich nicht auf Elektroautos. Auch die meisten Komplettbatterien für Nutzfahrzeuge werden mit Flüssigkeitskühlung angeboten. Mit dem Fortschritt der Zelltechnologie gewinnen Entwicklungen in Bereichen wie dem thermischen Management zunehmend an Bedeutung, nicht nur für einen sicheren Betrieb, sondern auch zur Maximierung der Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien.
Batteriemanagementsysteme:
Das Batteriemanagementsystem (BMS) spielt eine grundlegende Rolle für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Lithium-Ionen-Akkus. Während die Hauptfunktion eines BMS relativ klar definiert ist, bietet es auch die Möglichkeit, die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus zu verbessern. Sicherheit, Lebensdauer, Schnellladung und sogar die Energiedichte können durch die Entwicklung von BMS optimiert werden – und das mit minimalen Kompromissen.
Die Entwicklung und Anwendung präziserer Batterie- und Zellzustandsbestimmungen (z. B. Ladezustand, Gesundheitszustand oder Leistungszustand) sind entscheidend für die Leistungssteigerung, da sie eine sichere und maximale Leistungsentfaltung der Batterie ermöglichen. Neben Fortschritten bei der BMS-Software und den Algorithmen werden auch drahtlose BMS-Lösungen kommerzialisiert. Der Einsatz drahtloser Lösungen reduziert den Verkabelungsaufwand erheblich, was Gewicht spart und potenzielle Ausfälle minimiert. Obwohl die Einführung relativ langsam verläuft – GM kündigte sein drahtloses BMS erstmals 2020 an – bieten Halbleiterhersteller bereits Lösungen für drahtlose BMS-Designs an.
Der neue IDTechEx-Bericht „Lithium-Ionen-Batterien und Batteriemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge 2024–2034“ analysiert wichtige Innovationen, Fortschritte und Trends bei Lithium-Ionen-Batterien und Batteriemanagementsystemen (BMS) für Elektrofahrzeuge, einschließlich einer Leistungsanalyse. Der Bericht bietet einen Überblick über die wichtigsten Treiber, Herausforderungen und Batterietechnologieoptionen für verschiedene Segmente von Elektrofahrzeugen.
Autor: Dr. Alex Holland, leitender Analyst bei IDTechEx
