Akkuforschung 2020: In Zukunft gibt es spottbillige Akkus in riesigen Mengen
Die heutige Akkutechnik wirkt aus der Sicht von 2010 wie reine Science-Fiction. Damals kosteten Akkuzellen noch etwa 1.000 Euro pro Kilowattstunde. 2020 war Massenfertigung für rund 100 Euro/kWh nicht nur möglich, sondern normal. Die tiefsten Preise lagen sogar bei 66 Euro/kWh und das Preisniveau soll weiter sinken. Vorbei die Zeiten, als 200 Kilometer Reichweite für ein E-Auto gut genug sein mussten, damit der Akku nicht zu teuer wird.
Es klingt fast unglaublich, aber während sich die Preise halbieren, sollen Energiedichte und Leistung durch bessere Technik immer noch besser werden. Ein Blick auf den Anteil der reinen Rohstoffkosten zeigt außerdem, dass selbst bei 50 Euro/kWh noch längst nicht Schluss ist. Akkus sind auf dem besten Weg vom teuren technologischen Flaschenhals der Elektromobilität zur langweiligen, billigen Massenware. Fast nichts könnte aufregender sein, besonders wenn man Akkus braucht.
Schon 100 Euro/kWh galten für Lithium-Ionen-Akkus lange als völlig unerreichbar wegen der hohen Herstellungskosten. Aber zuletzt haben sich die Kosten trotzdem alle drei Jahre halbiert. Dabei ging kaum eine Firma so offen mit ihren Entwicklungsplänen um wie Tesla. Das ist allerdings keine hohe Hürde in der eher verschlossenen Branche.
Kostensenkung statt Akku-Revolution
Telsa will etwa in den neuen Fabriken auf riesige Trockenöfen in der Fertigung verzichten können, indem das Kathodenmaterial trocken aufgetragen und mit heißen Walzen nur zum Schmelzen gebracht wird. Chemische Prozesse sollen vereinfacht und die Durchführung des ersten Ladeprozesses automatisiert werden. Alle Anlagen sollen schneller laufen. Besser konstruierte, größere Zellen sollen weniger Material verbrauchen und mehr Speicherkapazität pro Zelle vom Band laufen lassen. Umständliche Schweißprozesse sollen vermieden werden.
Trotzdem enttäuschte Teslas Präsentation am Battery Day einige Beobachter und Fans, die mit revolutionären Änderungen in der Batteriechemie rechneten. Aber diese Revolution blieb weitgehend aus. Für alle Hersteller, nicht nur Tesla, ist die Kostenreduktion durch kleineren Produktionsaufwand wichtiger als maximale Energiedichte und Leistung.
Die Rohstoffe sind nur ein Bruchteil der Kosten
Nach Teslas Angaben vom Battery Day sind von den geschätzten 100 Euro pro kWh derzeit rund 80 Euro reine Herstellungskosten und keine Rohstoffe. Dort muss die meiste Entwicklungsarbeit getan werden. Wenn die Entwicklung wie geplant verläuft, kostet die Herstellung der Hochleistungszellen im Jahr 2025 noch rund 35 Euro/kWh und etwa 15 Euro/kWh auf die Rohstoffe. Davon sind 3 bis 7 Euro Lithium und etwa 12 Euro Nickel, immer abhängig von den aktuellen Rohstoffpreisen, die aber bei Engpässen sehr schnell und sehr stark steigen können. Nicht umsonst will Tesla eigenes Lithium abbauen.
Längst wird an Natrium-Ionen-Akkus geforscht, die ohne Lithium und Nickel auskommen – inzwischen mit großem Erfolg. Das bedeutet aber nicht, dass diese dann für 35 Euro/kWh hergestellt werden können. Aktuell hätten die Akkus nur etwas mehr als die halbe Energiedichte und so würde der einfache Ersatz von Kathode und Anode eher auf 60 Euro/kWh hinauslaufen, wenn sich nichts anderes an der Herstellung ändert.
Das Problem ist, dass mit kleinerer Energiedichte mehr Akkus für eine Kilowattstunde produziert werden müssen, auch wenn die Rohstoffe nur ein paar Cent kosten. Umgekehrt würde ein neues Material mit 30 Prozent mehr Energiedichte die Herstellungskosten von 35 Euro/kWh auf 27 Euro/kWh senken und die Rohstoffe dürften sogar 23 Euro/kWh kosten oder noch mehr. Denn Akkus mit mehr Energiedichte können oft auch teurer verkauft werden.
Solange die Herstellungskosten höher als die Materialkosten sind, kann es also leicht passieren, dass Akkus aus billigerem Material keine billigeren Akkus sind.
Kompromisse für die kompromisslose Preissenkung bei den Akkus
Ein Grund für sinkende Produktionskosten in der Massenfertigung ist universal, nicht nur bei der Akkuherstellung. Er nennt sich Skaleneffekt. Eine zweite Fabrik zur Akkuherstellung zu bauen, ist immer billiger als die erste. Zehn identische Maschinen zu bestellen ist billiger, als nur eine Sonderfertigung in Auftrag zu geben. Wer zehn identische Maschinen betreibt, kennt sie besser und kann sie besser betreiben als jemand, der nur eine betreibt.
In jeder Anlage gibt es einige Maschinen, die schlecht ausgelastet sind. Wird die Anlage größer gebaut, kann die Maschine mit wenig Zusatzkosten viel mehr produzieren. Nur Maschinen, die an der Grenze des Möglichen arbeiten, müssen ganz neu entworfen werden oder in größerer Zahl bestellt werden. Schon dadurch sinken Kosten drastisch, ganz ohne jede technologische Entwicklung, die bei den Akkus natürlich noch hinzukommt.
Dicke Schichten machen Akkus billiger
Wer etwas tiefer einsteigt, findet bei Akkus aber noch andere Tricks, um die Herstellungskosten zu senken. Denn im Grunde ist ein Lithium-Ionen-Akku nichts anderes als eine Aluminiumfolie, die mit Kathodenmaterial beschichtet wird, und eine Kupferfolie, die mit Anodenmaterial beschichtet wird. Dazwischen kommt eine Plastikfolie als Separator. Das alles wird aufgewickelt oder gestapelt und dann zusammen mit dem Elektrolyt in einem Gehäuse verbaut, nachdem die Metallfolien mit elektrische Kontakten versehen wurden.
Mit einer sehr dicken Beschichtung der Metallfolien sind weniger Arbeitsschritte nötig, weniger Metallfolien und weniger Separatoren. Das bedeutet gleichzeitig auch weniger Gewicht und mehr Energiedichte. Wenn eine 100 Mikrometer dicke Kathode statt einer 50 Mikrometer dicken Kathode auf einer 10 Mikrometer dicken Alufolie aufgetragen wird, steigt deren Energiedichte um etwa 10 Prozent und es muss nur halb so viel Folie gewickelt werden.
Aber leider verdoppelt sich mit der doppelten Dicke auch der Widerstand für die Ionen. Es fließt also nur halb so viel Strom durch die Schicht im Akku, mit dem die doppelte Menge Kathodenmaterial geladen werden muss. Deswegen sinken Leistungsabgabe und Ladegeschwindigkeit mit dem Quadrat der Schichtdicke. In diesem Beispiel würde es vielleicht 2 Stunden statt 30 Minuten dauern, um den Akku zu laden. Der Trick funktioniert also nur mit Stoffen, die von sich aus sehr hohe Ladegeschwindigkeiten ermöglichen oder bei Akkus, die nicht schnell geladen werden müssen.
Nickelfreie Akkus werden schon ausgeliefert
Der chinesische Akkuhersteller CATL hat das mit nickelfreien Lithium-Eisenphosphat-Akkus geschafft. Seine Konstruktion ist so gewichtseffizient, dass die Energiedichte fast das Niveau herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus erreicht. Diese Akkus von CATL werden in China in günstigere Telsa-3-Modelle eingebaut. Aber diese Autos können nur noch mit etwa 60 kW geladen werden,(öffnet im neuen Fenster) , obwohl gerade Lithium-Eisenphosphat-Akkus sonst für besonders hohe Ladeleistungen bekannt sind. Dafür wurden die Rohstoffkosten halbiert, ohne höhere Produktionskosten.
Kompromisslose Kostensenkung ohne bessere Materialien oder Anlagen ist eben meistens ein Kompromiss. Aber für Akkus, die etwa in Netzspeichern oder Schiffen langfristig große Mengen Energie speichern und nur langsam abgeben müssen, sind solche Kompromisse überhaupt kein Problem. Auch so mancher Handyakku dürfte zugunsten einer besseren Energiedichte auf schnellere Ladegeschwindigkeiten verzichten. Als große, langsame Netzspeicher können sogar Natrium-Ionen-Akkus heute schon wirtschaftlich herstellbar werden, obwohl sie in anderen Anwendungen schon wegen der niedrigeren Energiedichte nicht konkurrenzfähig und noch dazu teurer wären.
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Dank der Skaleneffekte in der Herstellung und der besseren Anlagen der Akkuhersteller werden solche Kompromisse in Zukunft für die Kunden wesentlich bessere Ergebnisse haben, auch bei niedriger Energiedichte. Auch die Forschung wird noch einiges dazu beitragen können.
In einem weiteren Artikel erklären wir am 6. Januar 2021, wie moderne Akkus funktionieren und wo die Grenzen der heute vorhandenen Technik sind.
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