Die wichtigsten Tech-Trends der EV-Batterien im Überblick

Alex Holland, Leitender Technologieanalyst bei IDTechEx. In diesem Gastbeitrag beschäftigt er sich damit, wie der Markt für E-Auto-Batterien sich in Zukunft entwickelt und wie sich die Akkus nachhaltig verbessern lassen. 

Der Weltmarkt für Li-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen wird bis 2034 voraussichtlich mehr als 380 Milliarden US-Dollar erreichen, was in erster Linie auf die Nachfrage nach batteriebetriebenen Elektroautos zurückzuführen ist, aber auch in anderen Sektoren, wie z. B. bei elektrischen Lieferwagen, Lastwagen, Bussen, Zweirädern und Geländewagen, zu einem raschen Wachstum führt. Elektrifizierungs- und Emissionsziele, verbesserte Batterieleistung und zunehmend attraktive Gesamtbetriebskosten für einige Fahrzeugsegmente treiben die Nachfrage nach batterieelektrischen Fahrzeugen (EV) an.

Dennoch werden Verbesserungen der Batterieleistung und der Kosten angestrebt, und obwohl die Entwicklungen zunehmend schrittweise erfolgen, gibt es verschiedene Möglichkeiten für eine kontinuierliche Verbesserung der Li-Ionen-Batterietechnologie.

Der neue Forschungsbericht von IDTechEx, „Li-ionen-Akkus und Batteriemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge 2024-2034„, bietet eine Analyse der Technologien, Designs und Trends rund um Li-Ionen-Zellen, -Packs und -Batteriemanagementsysteme (BMS), einschließlich Li-Ionen-Nachfrageprognosen nach EV-Anwendungen.

Wachstum der EV-Li-Ionen-Nachfrage. Quelle: IDTechEx.

Zellen

Kurzfristig werden sich die bestehenden Trends bei den EV-Batteriezellen wahrscheinlich fortsetzen. So wird beispielsweise der durchschnittliche Nickelgehalt von NMC- und NCA-Batterien weiter steigen, um die Energiedichte zu erhöhen und den Kobaltgehalt zu reduzieren. Der wahrscheinlich größte Trend ist die allgemeine Verlagerung hin zu LFP, einer billigeren und sichereren Option als NMC und NCA (wenn auch nicht von Natur aus sicher).

Die Energiedichte von LFP kann zwar 30-40 % niedriger sein als die von NMC oder NCA, aber die Vorteile der niedrigeren Kosten sind in den letzten Jahren unvermeidlich geworden. Der Anteil von LFP in Elektroautos hat daher zugenommen, wobei anzumerken ist, dass dies zum größten Teil auf die Wiedereinführung in China zurückzuführen ist. NMC und NCA werden in Europa und Nordamerika immer noch bevorzugt, obwohl LFP begonnen hat, auf den Markt zu kommen. Auch bei schlüsselfertigen Verpackungen für andere Fahrzeugsegmente werden nach wie vor NMC-Chemikalien bevorzugt.

Der Druck auf die Kosten und das Materialangebot sowie die technologischen Verbesserungen lassen jedoch erwarten, dass der Anteil von LFP am Markt für Elektrofahrzeuge zunehmen wird. Weitere umwälzende Entwicklungen sind ebenfalls in Sicht. Die Ankündigung von Entwicklungen im Bereich der Festkörperbatterien wird fortgesetzt, und es gibt bereits erste Ansätze zur Kommerzialisierung, z. B. durch die Festkörperbatterien des Polymertyps von Blue Solutions.

Es wird erwartet, dass die Verwendung von Siliziumanodenmaterial mit der Entwicklung fortschrittlicherer Siliziumanodenlösungen und kommerziell verfügbarer Produkte zunehmen wird, was Verbesserungen bei der Energiedichte und der Schnellladung verspricht. Auch neue Kathodenchemien werden weiter erforscht.

Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP) stellt beispielsweise eine interessante Alternative dar, die viele der Vorteile von LFP bietet und gleichzeitig die Energiedichte näher an die von NMC-Batterien heranbringt, auch wenn der kommerzielle Einsatz noch begrenzt ist.

<

Weltweiter Anteil von Kathoden in batteriebetriebenen Elektroautos. Quelle: IDTechEx.

Design der Verpackung

Angesichts des zunehmenden Einsatzes von LFP-Batterien in Elektrofahrzeugen gewinnen Zell-zu-Pack-Batteriedesigns immer mehr an Bedeutung. Diese Designs bieten eine verbesserte Packungseffizienz, erhöhen die Energiedichte und tragen dazu bei, einen der Hauptnachteile von LFP- gegenüber NMC- oder NCA-Batterien zu verringern.

CATL und BYD haben neben Tesla, Stellantis und verschiedenen anderen Herstellern CTP-Designs eingeführt. Um die gravimetrische Energiedichte zu verbessern, werden leichte Polymerbatteriegehäuse als Alternative zu den herkömmlichen Stahl- und Aluminiumgehäusen gefördert.

Auch CATL, NIO und Our Next Energy erforschen Konzepte mit doppelter Chemie. Our Next Energy ist das extremste Beispiel mit Plänen zur Kopplung einer Chemie mit hoher Energiedichte, aber niedriger Zykluslebensdauer als effektive Reichweitenverlängerungs-LFP. Letztendlich könnten Kombinationen aus verschiedenen Li-Ionen-Chemien oder sogar die Kombination von Li-Ionen mit Na-Ionen dazu beitragen, die unvermeidlichen Kompromisse zwischen Leistung, Energiedichte, Zykluslebensdauer und Leistung bei niedrigen Temperaturen zu optimieren.

Thermisches Management

Wärmemanagement und Brandschutz sind angesichts von Sicherheitsbedenken, aufsehenerregenden Bränden und Batterierückrufen zu kritischen Aspekten für Elektrofahrzeugbatterien geworden. Während frühe Elektrofahrzeugmodelle eine passive Luftkühlung verwendeten, hat sich die Flüssigkeitskühlung in den letzten Jahren in verschiedenen Fahrzeugsegmenten durchgesetzt.

Den Daten von IDTechEx zufolge machen aktive flüssigkeitsgekühlte Designs 90 % des Elektrofahrzeugmarktes aus, verglichen mit knapp über 50 % im Jahr 2015. Dieser Trend gilt nicht nur für Elektroautos.

Die meisten schlüsselfertigen Batterien für Nutzfahrzeugsegmente werden ebenfalls mit Flüssigkeitskühlung angeboten. Da die Entwicklungen in der Zelltechnologie immer schrittweiser erfolgen, werden Entwicklungen in Bereichen wie dem Wärmemanagement immer wichtiger, um nicht nur einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, sondern auch die verfügbare Leistung von Li-Ionen-Batterien zu maximieren.

Batterie-Management-Systeme

Das Batteriemanagementsystem (BMS) spielt eine entscheidende Rolle für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Li-Ionen-Batterien. Während die Hauptfunktionen eines BMS relativ klar definiert sind, bietet es auch die Möglichkeit, den Leistungsbereich von Li-Ionen-Batterien zu erweitern. Verbesserungen der Sicherheit, der Lebensdauer, der Schnellladung und sogar der Energiedichte sind durch die Entwicklung des BMS möglich, und zwar ohne dass das eine für das andere geopfert werden muss.

Entscheidend für die Ermöglichung von Leistungsverbesserungen ist die Entwicklung und Umsetzung einer genaueren Schätzung des Batterie- und Zellzustands (z. B. Ladezustand, Gesundheitszustand, Leistungszustand), so dass die maximale Leistung sicher aus einer Batterie herausgeholt werden kann. Neben der Entwicklung von BMS-Software und -Algorithmen werden auch drahtlose BMS-Lösungen auf den Markt gebracht.

Durch die Implementierung drahtloser Lösungen kann ein Großteil der Verkabelung entfallen, was zur Gewichtsreduzierung beiträgt und potenzielle Fehlermöglichkeiten ausschließt. Obwohl die Einführung relativ langsam erfolgt, bieten die Hersteller von BMS-Halbleitern mit der ersten Ankündigung von GM, ihr kabelloses BMS im Jahr 2020 einzuführen, nun Lösungen für kabellose BMS-Designs an.

Weitere Informationen, einschließlich herunterladbarer Beispielseiten, finden Sie unter www.IDTechEx.com/EVLithium. Das breitere IDTechEx-Portfolio zu den Bereichen Li-Ionen und Elektrofahrzeuge finden Sie unter www.IDTechEx.com/Energy.