Maximilian Fichtner ist Chemiker und Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm für elektrochemische Energiespeicherung. Als Professor für Professor für Festkörperchemie an der Universität Ulm und Leiter der Abteilung "Energiespeichersysteme ” am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie forscht er intensiv an Energiespeichersystemen jenseits von Lithium und analysiert im Gespräch den globalen Status quo der Batteriewelt. Lesen Sie in der Folge ein Kurz-Interview, das mit KI-Unterstützung aus dem Podcast entstanden ist. Die Aufnahme können Sie weiter unter abspielen.
Kurz-Interview
Gerd Stegmaier: Herr Fichtner, die verbreitetste Technik sind aktuell NMC-Batterien. Warum ist das so und was steckt chemisch dahinter?Maximilian Fichtner: Ursprünglich nutzte man reines Kobaltoxid, das eine hohe Dichte hat, aber teuer, giftig und sicherheitstechnisch problematisch ist. Bei NMC hat man das Kobalt schrittweise durch Nickel und Mangan ersetzt; der Kobaltgehalt liegt heute nur noch im einstelligen Prozentbereich. Man kann sich die Struktur wie Regalbretter vorstellen, in die sich das Lithium einsortiert. Diese Technik bietet die höchste Speicherkapazität, was für die bisherigen Fahrzeugarchitekturen in Europa notwendig war.
Fichtner: NMC-Zellen sind leistungstark. Wir liegen hier volumetrisch bei etwa 500 bis 700 Wattstunden pro Liter und gravimetrisch bei 250 bis 300 Wattstunden pro Kilogramm. Ein weiterer Vorteil ist die Kältebeständigkeit: Bei minus 20 Grad hat eine NMC-Batterie noch etwa 70 Prozent ihrer Speicherkapazität.
Fichtner: LFP ist frei von kritischen Rohstoffen. Eisen gibt es in Mengen und Eisenphosphat kann man sogar aus Abwasser gewinnen. Die Struktur besteht nicht aus Regalen, sondern aus hohlen Kanälen. LFP ist ungiftig und viel sicherer als NMC, da es bei hohen Temperaturen keinen Sauerstoff entwickelt, der einen Brand befördern könnte. Zudem hat es eine höhere Zyklenfestigkeit und hält länger.
Fichtner: Man hielt das Material für zu "fluffig", um genug Energie ins Auto zu bekommen. Die Chinesen haben das Problem aber über das Design gelöst. Mit dem "Cell-to-Pack"-Design oder der "Blade Battery" verzichten sie auf kleinteilige Module und Verdrahtung. So bekommen sie 20 bis 30 Prozent mehr Speichermaterial unter und kompensieren die geringere Dichte des LFP. Die Europäer haben sich hier selbst ein Bein gestellt, weil sie zu spät von ihrer modularen Architektur abgewichen sind.
Fichtner: Ja, bei tiefen Temperaturen. Wenn die Struktur im Winter schrumpft, stecken die Lithium-Ionen in den Kanälen fest. Bei minus 20 Grad sinkt die Kapazität auf etwa 60 bis 65 Prozent. Das führt dazu, dass LFP-Autos im Winter weniger Reichweite haben und deutlich langsamer laden.
Fichtner: Das ist ein riesiges Potenzial. Natrium ist billiger als Lithium und die Batterien funktionieren bei Kälte hervorragend: Bei minus 20 Grad behalten sie 90 Prozent ihrer Kapazität. Zudem kann man sie völlig entladen und ein Jahr stehen lassen, ohne dass sie Schaden nehmen, was bei Lithium-Systemen schwierig ist.
Die Podcast-Aufnahme in voller Länge
Fichtner: Natrium-Ionen-Zellen sind schwächer als LFP. Wir liegen gravimetrisch zwischen 90 und 140 Wattstunden pro Kilo und volumetrisch zwischen 200 und 300 Wattstunden pro Liter. Aber: Wenn man diese Chemie in ein effizientes chinesisches Pack-Design einbaut, erreicht man Systemdaten, die nah an einer klassischen NMC-Batterie eines Audi e-tron liegen. Die Chemie ist wichtig, aber das Engineering des gesamten Packs ist entscheidend.
Fichtner: Das Ziel ist, wieder metallisches Lithium einzuführen, was 40 Prozent mehr Energie bringen könnte. Da Lithium-Nadeln (Dendriten) in flüssigen Elektrolyten Kurzschlüsse und Brände verursachen können, setzt man ihnen eine feste Wand vor die Nase – den Festelektrolyten. Das Problem ist die Grenzfläche: Wenn das Material beim Laden arbeitet, kann der Kontakt abreißen. Wir forschen daher an "Almost Solid State"-Batterien mit minimalen Flüssigkeitsanteilen zur Stabilisierung.
Fichtner: Ab dem 1. Juli dürfen Batterien dort im Fehlerfall über zwei Stunden weder rauchen noch brennen oder explodieren. Geely hat bereits Zellen gezeigt, die man zersägen oder durchbohren kann, wobei sie sich nur auf 60 Grad erwärmen. Das könnte ein Paradigmenwechsel sein, der NMC unter Druck setzt, falls man diese Sicherheit dort nicht erreicht.
Fichtner: Technisch sind heute 1,5 Millionen Kilometer und 15 Jahre Lebensdauer machbar, wie man bei E-Bussen in Norwegen sieht. Eine Zyklenlebensdauer von 10.000 Zyklen würde bei 500 Kilometern Reichweite fünf Millionen Kilometer bedeuten – das fährt niemand im Pkw. Die Batterie wird im Wiederverkaufswert eine ganz neue Rolle spielen.
Fichtner: Wer Zellen nur einkauft, bekommt nur das, was der Lieferant hergeben will und hat keine Möglichkeit zum Experimentieren. In Europa haben wir zwar gute Forschung, aber es fehlt der industrielle "Pull". Firmen zögern, weil europäische Zellen anfangs durch Ausschuss und fehlende Skalierung teurer sein werden als chinesische. Wir brauchen hier politische Lösungen wie Abnahmegarantien.
Fichtner: Der Prozess ist in der Entwicklung, das Ziel ist die Rückgewinnung der Substanzen als Ganzes. Das Problem ist paradoxerweise, dass die Batterien länger halten als gedacht. Ein signifikanter Anteil an Recyclingmaterial wird daher erst Mitte der 2030er Jahre wieder in die Produktion einfließen.