Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030

F r a u n h o f e r - I n s t i t u t f ü r S y s t e m - u n d I n n o vat i o n s f o r s c h u n g I S I
Technologie-Roadmap
Lithium-Ionen-Batterien 2030
Vorwort
Das Thema Elektromobilität hat in Deutschland deutlich an Fahrt aufgenommen. Diese Dynamik
ist im „Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität“ der Bundesregierung im August 2009 sowie mit der „Nationalen Plattform Elektromobilität“ im Mai 2010 auch politisch eindrucksvoll
dokumentiert. Das Herzstück der Elektromobilität sind sicherlich die Batterien und deren Komponenten und Materialien. Als besonders attraktive Kandidaten für den mobilen Einsatz von Energiespeichern bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen gelten die Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind die
Schlüsseltechnologie für die Einführung und den Marktdurchbruch der Elektromobilität.
Im November 2007 hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Innova­
tionsallianz „Lithium-Ionen-Batterie (LIB 2015)“ initiiert. Innerhalb der Innovationsallianz arbeiten
mehr als 60 Partner aus Industrie und akademischer Forschung eng zusammen. Ein Industriekonsortium mit führenden Unternehmen wie BASF, Bosch, Evonik, Li-Tec und VW hat sich verpflichtet,
Prof. Dr. Martin Winter
in den nächsten Jahren 360 Millionen Euro für die Forschung und Entwicklung an Lithium-IonenBatterien zu investieren. Dazu kommen Fördermittel des BMBF in Höhe von 60 Millionen.
Innerhalb der Innovationsallianz werden künftige Generationen
Die „Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030“ lie-
von Lithium-Ionen-Batterien anwendungsnah erforscht und
fert ein erstes wichtiges Zwischenergebnis. Ein Expertenteam
entwickelt. Der erste zeitliche Meilenstein ist das Jahr 2015:
hat sie beim zweiten Jahrestreffen der Innovationsallianz 2010
in Münster erstellt. Für die Beobachtung und Bewertung der
Die Batterien sollen bis dahin deutlich leistungsfähiger, kosten-
künftigen technologischen Entwicklungen zur Lithium-Ionen-
günstiger und sicherer sein. Die Forschungsaktivitäten in der
Batterie ist die Technologie-Roadmap ein Meilenstein. Sie schärft
Innovationsallianz umfassen die gesamte Wertschöpfungskette,
den Blick der Akteure, und sie liefert eine anschauliche visuelle
von der Materialforschung und Elektrochemie, Aspekten der
Orientierung. Der damit angestoßene Prozess bietet die Chance
Rohstoffverfügbarkeit und des Recyclings über das Batteriema-
für eine langfristig angelegte, koordinierte und kontinuierlich
nagement bis hin zu geeigneten Herstellverfahren und zur Sys-
aktualisierte Abschätzung der Chancen und Perspektiven der
temintegration sowie Bestrebungen zur Standardisierung und
Lithium-Ionen-Batterie. Damit ist die Technologie-Roadmap ein
Normung. Ob Lithium-Ionen-Batterien tatsächlich performanter,
essentiell wichtiger Baustein und Treiber für den Erfolg der Inno-
günstiger und sicherer und damit „besser“ werden, hängt aber
vationsallianz LIB 2015.
letztendlich wesentlich von verbesserten Batteriematerialien ab.
Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung
(Fraunhofer ISI) begleitet mit einem sozialwissenschaftlichen
Forschungsprojekt die experimentellen Projekte der Innova­
Prof. Dr. Martin Winter
tionsallianz. Das Spektrum dieses ISI-Projektes reicht von der
Sprecher der Innovationsallianz
Betrachtung stofflicher Aspekte und der Verfügbarkeit kritischer
Rohstoffe über Anwendungsszenarien in verschiedenen Einsatzfeldern bis hin zu einem integrierten „Roadmapping“, mit dem
über das Jahr 2015 hinaus die technologischen Entwicklungen
mit den Anforderungen der Märkte bis 2030 abgeschätzt werden sollen.
3
Metho dik und Vo rgehensmo dell
Einleitung
Nach Prüfung und Feedback der Teilnehmenden sowie Ergänzungen im erweiterten Kreis von Fachleuten liegt die Technolo-
Das Vorgehen des Technologie-Roadmapping basiert auf einer
gie-Roadmap derzeit in zweiter Version vor: LIBRoad_v2 (Stand:
abgestimmten Kombination qualitativer und quantitativer For-
Juni 2010). In dieser Technologie-Roadmap sind die technologi-
schungsmethoden in vier Schritten:
schen Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien durch einzelne Zellkomponenten, Zelltypen und deren Eigenschaften sowie
• Expertenbefragung
komplementäre und konkurrierende Technologien inhaltlich er-
• Bibliometrische Analysen
fasst und für den Zeitraum von 2010 bis zum Jahr 2030 abge-
• Monitoring-System
schätzt.
• Roadmap-Erstellung
„Nach 2015–2025 ist unserer Meinung nach mit einer
L i thi um - I o n e n -B at t e r ie n −
Tech n olog ie-Roa d m a p
Die Technologie-Roadmap wurde am Freitag, 30. April 2010, an
ganzen Reihe an technologischen Entwicklungen zu
S c hl üssel z u r E l e kt r om ob i l i tät ?
Li th iu m -Ion en -Batterien 2030
der Universität Münster erstellt. Der Workshop war eingebettet
rechnen. Sie werden das Zeug haben, die Li-Ionen-Zellen
in das zweite Jahrestreffen der Innovationsallianz LIB 2015, die
zu Standard-Energiespeichern zu machen.“
Die Leistungsfähigkeit neuer Speichermedien für elektrische
Die Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 liefert
das BMBF fördert. Am Workshop nahmen mehr als zehn re-
Dr. Reinhard Mörtel,
Energie sowie starke Preisschwankungen bei fossilen Brennstof-
eine grafische Repräsentation der Zellkomponenten, Zelltypen
nommierte Fachleute der Batterieentwicklung aus Deutschland
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
fen machen die Elektromobilität zum Hoffnungsträger für eine
und Zelleigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien und ihren
teil, aus Forschung und Industrie.
langfristige Zukunft individueller Mobilität. Dafür gibt es ge-
Verknüpfungen einschließlich des sie umgebenden Technolo-
wichtige politische Ziele z. B.: vom Öl weniger abhängig zu sein,
giefeldes von heute bis ins Jahr 2030. Damit vermittelt sie eine
Energie effizienter umzuwandeln, den CO2-Ausstoß deutlich zu
weitreichende Orientierung auf dem Weg in die Zukunft, und
verringern sowie Emissionen im Verkehr spürbar zu senken. All
sie konkretisiert die „Roadmap: Batterieforschung Deutschland“
das sind wichtige Treiber für Elektromobilität.
des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF): Die
Entwicklungen der Lithium-Ionen-Batterien sind bis ins Jahr
Elektromobilität ist insgesamt ein strategisch bedeutsames
2030 identifiziert, so wie sie sich heute aus der Expertensicht in
umwelt-, wirtschafts- und gesellschaftspolitisches Thema. Der
der Batterieentwicklung und in angrenzenden Bereichen ab-
„Nationale Entwicklungsplan Elektromobilität“ der Bundesre-
zeichnen.
gierung im August 2009 sowie die im Mai 2010 eingerichtete
„Nationale Plattform Elektromobilität“ unterstreichen die Priori-
Die Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 führt
tät in eindrucksvoller Weise. Im Koalitionsvertrag sind zwei Ziele
zu einem Konsens zwischen den zentralen Akteuren über die
zur Umsetzung gesteckt: „Deutschland zum Leitmarkt für die
künftige Marschrichtung in technologischer Hinsicht z. B. über
Elektromobilität bis 2020“ zu entwickeln und „eine Million
anvisierte Entwicklungsziele. Darüber hinaus fördert sie die Zu-
Elektrofahrzeuge bis 2020“ auf die Straße zu bringen. Die
sammenarbeit in Politik, Forschung und Industrie. Nicht zuletzt
Grundlage für zukunftsweisende elektrische Antriebssysteme
liefert die Technologie-Roadmap die Grundlage für gezielte F&E-
liegt bei Batterien, aufgrund der Vorzüge vor allem bei Lithium-
Strategien sowie für umfangreiche Kooperationsvorhaben.
Ionen-Batterien. Sie können ein Schlüssel für die Elektromobilität sein.
„Die Roadmap gibt einen ersten Überblick. Er ist meiner
Meinung nach gut getroffen, und er erfasst die wesent-
Vor der Markteinführung mit serienmäßiger Massenproduktion
lichen Mainstreams. Diese Roadmap ist ein guter techno-
sind allerdings Herausforderungen zu bewältigen. Lithium-Io-
logischer Kompass geworden.“
nen-Batterien gelten heute zwar als Schlüsseltechnologie. Sie
Dr. Peter Birke, Continental Batteriesysteme
müssen allerdings hinsichtlich Kosten, Energiedichte, Gewicht,
zyklischer und kalendarischer Lebensdauer sowie Ladege-
„Insgesamt gibt die Roadmap einen schönen Überblick,
schwindigkeiten noch deutlich verbessert werden. Um einen
wenngleich der Zeitstempel für die eine oder andere
robusten Plan mit konkreten Meilensteinen zur künftigen Ent-
Technologie wie z. B. Li-Metall etwas optimistisch ist.“
wicklung der Lithium-Ionen-Batterien zu erhalten, bietet sich
Dr.-Ing. Matthias Vetter,
eine Navigation in die Zukunft in Form einer Technologie-Road-
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
map an.
4
5
Bibliometrische Analysen
Patente zu Li-Ionen weltweit (1990 –1994)
US 16,6 %
JP 64,0 %
DE 2,3 %
FR 6,9 %
9,8 %
GB 0,6 %
CA 5,7 %
Rest 3,9 %
Die bibliometrischen Analysen knüpfen an eine Reihe vorausge-
Die Analyse transnationaler Patentanmeldungen, einschließlich
hender Experteninterviews an, die mit Ansprechpartnern der
europäische (EP) und Weltpatente (WO), ermöglicht es, interna-
Konsortien in der Innovationsallianz LIB 2015 geführt wurden.
tional führende Länder anhand ihrer Patentaktivitäten bei Lithi-
Patente zu Li-Ionen weltweit (1995 –1999)
um-Ionen-Batterien zahlenmäßig zu vergleichen: Dazu hat das
Bei diesen qualitativen Interviews ging es zunächst darum, die
Fraunhofer ISI umfassende Recherchen in den Datenbanken
versammelte Fachexpertise in einer Bestandsaufname zu bün-
EPPATENT und WOPATENT mit speziell abgestimmten Suchstra-
deln und die für Li-Ionen-Batterien relevanten technologischen
tegien durchgeführt. Bei den Suchstrategien wurden IPC- (Inter-
Entwicklungen zu identifizieren. Dazu gehören: Trends bei Zell-
nationale Patentklassifikation) und Stichwortsuchen kombiniert
materialien und -komponenten, stoffbezogene Aspekte der
und für den Zeitraum zwischen 1990 bis 2008 ausgewertet;
Rohstoffverfügbarkeit und des Recyclings, Herstellverfahren,
jeweils in 5-Jahres-Zeiträumen, wobei die aktuell verfügbaren
grundlegende Anforderungen und Leistungsmerkmale sowie
Daten bis zum Jahr 2008 reichen (Stand 2010):
US 19,5 %
JP 62,6 %
DE 5,5 %
GB 1,7 %
11,1 %
CA 3,6 %
KR 1,7 %
Rest 1,5 %
FR 3,9 %
Technologiefeldanalyse und Marktanforderungen.
• Japan zählt bis heute zu den weltweit führenden Ländern
Auf der qualitativen Grundlage setzt die Bibliometrie mit Patent-
im Bereich der Lithium-Ionen-Batterietechnologie. Jedoch
und Publikationsanalysen an. Die bibliometrischen Analysen lie-
haben andere asiatische Länder gerade in den letzten Jah-
fern vertiefende Einblicke zur Dynamik der technologischen
Patente zu Li-Ionen weltweit (2000 –2004)
ren stark aufgeholt.
Entwicklungen rund um Lithium-Ionen-Batterien, und sie bieten
• Während Japan Anfang der 1990er Jahre die Technologie-
durch die Untersuchung akademischer Publikationen und welt-
entwicklungen mit 64% Anteil der Patentaktivitäten maß-
weiter Patentanmeldungen quantifizierte Erkenntnisse zur inter-
geblich bestimmte, haben vor allem Südkorea und China in
nationalen Wettbewerbssituation mit Fragen wie:
den vergangenen Jahren ihre technologischen Aktivitäten
US 15,8 %
DE 4,8 %
JP 57,5 %
bei Patenten kontinuierlich ausgebaut, und zwar deutlich
• Wo steht Deutschland heute im internationalen Vergleich?
• Wie spezialisieren sich die bislang führenden Länder?
• Welche Zellmaterialen zeichnen sich als Erfolg
versprechend ab?
• Und welche Komplementär- und Konkurrenztechnologien
sind für Lithium-Ionen-Batterien zu erwarten?
• Welche Entwicklungen zeichnen sich speziell bei aussichts reichen Zelltypen ab?
• Zeigen die eingeleiteten staatlichen Fördermaßnahmen für
Lithium-Ionen-Batterien bereits erste Wirkungen?
CA 2,3 %
auf Kosten des japanischen Anteils.
FR 2,8 %
CH 0,7 %
CN 3,8 %
• Die Experteninterviews stützen diese quantifizierten Ent-
KR 9,7 %
wicklungen bei den Patenten. Das Bild bei den Patentakti-
Rest 1,1 %
vitäten schlägt sich auch in Marktanalysen nieder. So zeigt
sich eine zunehmend diversifizierte asiatische Konkurrenz
bei globalen Marktanteilen und bei den Anteilen an der
Patente zu Li-Ionen weltweit (2005–2008)
Zellproduktion von Lithium-Ionen-Batterien.
• Ganz anders haben die USA und Europa ihre Anteile in den
letzten 20 Jahren durchgängig gehalten. Unter den wichUS 16,8 %
tigsten europäischen Akteuren hat Deutschland seinen
Anteil an weltweiten Patentaktivitäten von 2,3% Anfang
der 1990er Jahre auf etwa 5% gesteigert und langfristig
sichern können.
• Der Blick auf die kommenden 20 Jahre in der Lithium-IonenBatterietechnologie wird vermutlich stark von staatlichen
Förderaktivitäten und industriellen Anstrengungen in diesen
Schlüsselländern abhängen.
6
GB 1,5 %
9,8 %
JP 35,4 %
DE 4,8 %
GB 1,1 %
10,3 %
CA 2,0 %
Rest 12,7 %
KR 16,6 %
CN 6,2 %
FR 2,5 %
CH 1,9 %
CA
CH
CN
DE
FR
GB
JP
KR
US
Kanada
Schweiz
China
Deutschland
Frankreich
Großbritannien
Japan
Südkorea
Vereinigte Staaten
von Amerika
7
Monitoring-System
• Die Entwicklungsdynamik ausgewählter Energiespeicher-
• Die Publikationsdynamik bei Lithium-Ionen-Batterien dürf-
technologien in den letzten 20 Jahren (normiert auf 100 im
te die der Brennstoffzellentechnologie zumindest in den
Basisjahr 1991) zeigt einen starken Anstieg wissenschaft­
nächs­ten Jahren rasch einholen. Sie unterstreicht die aktuell
licher Publikationen zu Brennstoffzellentechnologie bzw.
besondere Bedeutung der Lithium-Ionen-Batterietechnolo-
Wasserstoffspeicher. Batteriesysteme im
gie bei der Entwicklung elektrochemischer Energiespeicher.
Allgemeinen
ebenso wie Supercaps entwickeln sich hingegen vergleichsweise weniger dynamisch.
• Innerhalb der Batteriesysteme geben die Publikationsanteile
zu Lithium-Ionen-Batterien mit mittlerweile fast 75% in den
• Die Publikationen zu Lithium-Ionen-Batterien sind in den
Jahren 2005 –2009 einen deutlichen Hinweis, einerseits auf
Jahren 2009 und 2010 in beträchtlicher Weise gestiegen
den hohen Stellenwert dieser Batterietechnologie, anderer-
(Abschätzung 2010 auf Basis des 1. Quartals). Der Anstieg
seits auf die aus heutiger Sicht fehlenden alternativen Bat-
Das Monitoring-System speist sich aus den vorausgehenden
Das Monitoring-System ist modular aufgebaut: Schlüsseltech-
hängt sicherlich mit den initiierten Fördermaßnahmen in
teriekonzepte.
Erkenntnissen der Experteninterviews einerseits und der biblio-
nologien und Materialentwicklungen sind jeweils als unterge-
vielen Ländern und den technologischen Entwicklungsan-
metrischen Analysen zu Patenten und Publikationen anderer-
ordnete Suchstrategien eines übergreifenden Referenzsystems
strengungen in der Batterieindustrie zusammen. Das The-
Zusammen mit dem visuell ausgerichteten Roadmapping und
seits. Es ist wie ein Radarschirm konzipiert, und es bietet einen
definiert. Die modulare Architektur mit sukzessiver Verfeine-
ma Elektromobilität ist ein maßgeblicher Treiber.
der Technologie-, Produkt- und Gesamt-Roadmap, bietet das
umfassenden Überblick über: den aktuellen Stand der Technik,
rung bietet zwei Vorzüge: Es lassen sich nahezu beliebig viele
quantitativ ausgelegte Monitoring-System einen umfassenden
die technologischen Entwicklungen, sich abzeichnende Trends
und feinere untergeordnete technologische Entwicklungen
Überblick zur Technologievorausschau der Batterieentwicklun-
und Innovationsindikatoren für Lithium-Ionen-Batterien sowie
einbeziehen. Ferner können auch alternative Technologien
gen in den kommenden Jahren.
alternative Energiespeicher.
künftig problemlos integriert, fortlaufend gepflegt und selbst in
ihrer Granularität wieder angepasst werden.
Mit dem aufgebauten Monitoring-System lassen sich vielfältige
Fragen untersuchen, darunter z. B.: zur Dynamik der Energie-
Das Monitoring-System wird künftig parallel mit der Technolo-
speichertechnologien, zur Entwicklung und zu Anteilen führen-
gie-Roadmap weitergeführt.
der Länder und von Einzelakteuren wie z. B. Unternehmen und
anderen Institutionen, aber auch zur spezifischen Ausrichtung
der Länder in technologischen Teilbereichen und ihren relativen
Stärken im internationalen Vergleich.
4000
2000
Elektrochemische Speicher – Batterie
40
30
Hoch T-Akkumulator
…
Na-S
NaNiCl
Akkumulator
Flow- & Gas-Batterie
Li-Ionen NiMH NiCd Blei
Redox-Flow
Anoden
Elektrolyte
Separatoren
System
Lithium-Ionen Komponenten
Kathoden
• Schichtoxide
10
91
Komponenten
Kathoden
20
0
0
Lithium-Ionen Akkumulator
Zelle
1000
Metall-Luft …
Anoden
• C-basierte
Elektrolyte
Rest 2,1%
50
Zebra 0,2%
…
Na-S 0,3%
Supercap
Li-S 0,6%
Brennstoffzelle
60
Metall-Luft 1,0%
Batterie
3000
Redox-Flow 1,1%
… Hydraulik Schwungrad
elektrisch
NiCd 1,3%
elektrochemisch
NiMH 5,3%
mechanisch
Bleisäure 14,4%
70
Li-Ionen- Systeme 73,7%
80
Energiespeicher
92
93
94
95
96
97
98
99
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
Publikationsdynamik ausgewiesener Energiespeicher (1991 – 2010)
Publikationsanteile von Batteriesystemen
Basisjahr = 100
weltweit (2005 – 2009)
Batterien
Li-Ionen Systeme
Brennstoffzelle
Wasserstoffspeicher
Supercaps
*Zahlen geschätzt
• organische Flüssigkeiten
• Olivine
• Metall-Legierungen
• anorganische Flüssigkeiten
• Spinelle
• Komposite
• ionische Flüssigkeiten
• Nasicon
• Titanate
• Festelektrolyte
•…
•…
•…
8
9
ZEIT
2010
kurzfristig
2015
0
Energiedichte
EIGENSCHAFTEN
Leistungsdichte
Lebensdauer
++
Kalendarische
Lebensdauer
+
Umgebungsbedingungen
(Temperatur)
+
Sicherheit
–
Kosten
+
ZELLTYPEN
+
+
++
0
+
+++
–
0
––
–
0
–
0
+
+
+
k. A.
0
0
–
0
+
+
0
k. A.
–
0
–
Zelle: 0
0
–
–
–
++
0
Betrieb: –
0
0
•
LTO / 5V
•
Casing
+
hohe T: +
0
k. A.
+
++
tiefe T: –
••
Li-Ionen
++
2030
langfristig
hohe T: +
–
0
+
+
tiefe T: –
+
Betriebs- Lebensdauer
(Zyklenbeständigkeit)
2020
mittelfristig
Verbesserter Pouch – AL Laminat
Li-Zellen mit
Hochkapazitäts
Anode
•
++
••••••
++
•
0
•
0
Zelle: 0
Betrieb: –
0
+
• • •
••
Li-FeststoffLi-Zellen mit
5V ZellenLi-MeLi-SLi-PolymerLi-Luft
Zellen (nicht
Hochkapazitätspolymer)
kathode
•
•
•
•
•
•
•
Verbesserter Pouch – AL Laminat
Ableitelektrode als Gehäuse
5V Spinell
ZELLE
Kathode
Anode
Elektrolyt
Technologiefeld
Separator
KomplementärTechnologie
Li Ni Me Me O2
Konversionskathodenmater
-SO4FLuft
Fluor als MeFx,
Me: Metall
Legierungen SiSoft Carbon
Li (Ni) PO4 5V
Schwefel
Li (Co) PO4 5V
4V
strukturierte
Mn Phosphat
Elektroden
C / Metall-Legierung
Komposite
nicht SiLi-Metall
Additive
Additive
Li Fe PO4
Li Ni Me Me O2Komposite
Hochvolt (HV)
(Kathode)
modifizierte GraphiteLi-Titanat
Li PF 6 - frei Gelpolymer+ org. LM etc.
elektrolyte
5V Elektrolyt
Gewebe
gecasteter
chemisch
Zellulose
VliesSeparator
imprägniert
SchwungradPB BatterieNiZn
Hybrid
Polymermembran
Festelektrolyt
nicht Polymer
Redox Flow
Supercaps
Brennstoffzelle
Brennstoffzelle
Hybrid Supercap
Konkurrenz-
Hochtemperatur Batterie, nicht Li
Hochtemperatur Batterie, nicht Li
Technologie
Ni / MHSynthese-Gas - BenzinZn-Luft
Mg- Luft / MgAI- Luft / AI
Technologie-Roadmap
Lithium-Ionen-Batterien 2030
State of the Art vor 2010 für
Bewertung nach Eigenschaften
Kombination aus
Zellkomponenten:
gegenüber State of the Art bis
Zellkomponenten:
Kathoden: LCO, LMO
2010:
Nicht alle explizit dargestellt, ohne
Anode: Graphite, Hard Carbon
0
gleich
Zeitrahmen:
Elektrolyte, LiPF6 in organ.
+
besser
Frage nach Marktreife der Technologien; Version: LIBRoad_v2
Flüssigkeiten,
–
schlechter – – viel schlechter
Anspruch auf Vollständigkeit
++
viel besser
•
Auswahl bestimmter aussichts­­reicher
Zelltypen durch Teilnehmer
•
•
Im Workshop bewertet (LIBRoad_v1)
Nach Workshop bewertet (LIBRoad_v2)
Abhängigkeiten:
Darstellung mit Pfeilen
Separator: Polyolefin
10
11
ZELLTYPEN
Sicherheit
–
0
–
–
–
Zelle: 0
Betrieb: –
++
0
Zelle: 0
Betrieb: –
Kosten
+
0
0
++
++
0
0
0
+
Li-Ionen
LTO / 5V
Li-Zellen mit
Hochkapazitäts
Anode
5V Zellen
Li-Me
Li-S
Li-Polymer
Li-FeststoffZellen (nicht
polymer)
ZEIT
2010
Casing
kurzfristig
2015
2020
mittelfristig
Verbesserter Pouch – AL Laminat
langfristig
Li-Zellen mit
Hochkapazitätskathode
Li-Luft
2030
Verbesserter Pouch – AL Laminat
Ableitelektrode als Gehäuse
5V Spinell
ZELLE
Kathode
Li Ni Me Me O2
Li Ni Me Me O2
Hochvolt (HV)
Li Fe PO4
Anode
modifizierte Graphite
Li-Titanat
Legierungen Si
Soft Carbon
C / MetallKomposite
Li PF 6 - frei
+ org. LM etc.
Gelpolymerelektrolyte
TECHNOLOGIEFELD
-SO4F
Fluor als MeFx,
Me: Metall
strukturierte
Elektroden
Luft
Li-Metall
5V Elektrolyt
Polymermembran
chemisch
imprägniert
Zellulose
Schwungrad
Hybrid
Konversionskathodenmater
Additive
Separator
Z el l e
Legierung
nicht Si
Schwefel
Additive
Elektrolyt
KomplementärTechnologie
Li (Ni) PO4 5V
Li (Co) PO4 5V
4V
Mn Phosphat
Komposite
(Kathode)
PB Batterie
Gewebe
Vlies
Festelektrolyt
nicht Polymer
gecasteter
Separator
NiZn
Redox Flow
Supercaps
Brennstoffzelle
Komponenten: Die Entwicklungen zu Kathoden, Anoden,
Eine Besonderheit beim Batterie-Roadmapping: Für die Materi-
Brennstoffzelle
„Deutschland hat auf der Materialebene ein hohes
Po-Supercap
in Kathodenmaterialien. Zu den künftigen Optionen
Hybrid
Elektrolyten, Separatoren
der Techno- alkombinationen
Batterie, nicht Li der Zellkomponenten existieren aus heutiger
Konkurrenz- sowie zum Casing sind in Hochtemperatur
tenzial. Firmen sollten neue
Anwendungen
rechtzeitig
Hochtemperatur
Batterie,
nicht Li
zählen z. B. keramische Festelektrolytmembranen für Li-
Technologie
logie-Roadmap
abgeschätzt
als Geschäftsfeld identifizieren. Ein Positivbeispiel aus
Luft.“
und bewertet.
Sicht keine systematisch aufeinander folgenden
EntwicklungsNi / MH ZusammenhängenSynthese-Gas - Benzin
Zn-Luft
de Entwicklungen sind in Materialklassen gebündelt, darunter
pfade. Vielmehr wird eine Materialklasse so lange weiter entwi-
z. B. LiNiMeMeO2 mit NMC und NCA als Kathoden, Me = Me-
ck­elt, bis sie vollständig charakterisiert ist und ihre material­­
spezifischen Potenziale ausgeschöpft sind. Die Untersuchung
TECHNOLOGIE-ROADMAP
weiterer Materialklassen verläuft nachgelagert oder zeitlich parKathoden: Der Entwicklungstrend ist ungebrochen und geht allel.
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
2030
auch in den nächsten Jahren weiter in Richtung Hochvoltmateritall.
alien, insbesondere
Zeitrahmen:
Spinelle und Phosphate. Mittelfristig sind
Ex perten statem en ts
Entwicklungen
bei der
Sulfiden
noch vor
2020LIBRoad_v2
und bei FluorosulfaFrage
nach Marktreife
Technologien;
Version:
ten nach 2020 zu erwarten. Mit Konversionskathodenmateriali-
„Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen wie
en,
1
0 Metallfluoriden sowie Luft ist um 2030 zu rechnen.
hohe Leistung- oder hohe Energiedichte wird es immer
der Vergangenheit ist die Süd-Chemie mit dem Einstieg
Mg- Luft / Mg
State of the Art vor 2010 für
Bewertung nach Eigenschaften
Kombination aus
Zellkomponenten:
gegenüber State of the Art bis
Zellkomponenten:
Kathoden: LCO, LMO
2010:
Nicht alle explizit dargestellt, ohne
Anode: Graphite, Hard Carbon
0
gleich
Elektrolyte, LiPF6 in organ.
+
besser
Flüssigkeiten,
–
schlechter – – viel schlechter
Anspruch auf Vollständigkeit
++
viel besser
AI- Luft / AI
Dr. Peter Birke, Continental Batteriesysteme
•
Auswahl bestimmter aussichtsreicher
Zelltypen durch Teilnehmer
•
•
Im Workshop bewertet (LIBRoad_v1)
Nach Workshop bewertet (LIBRoad_v2)
Abhängigkeiten:
Darstellung mit Pfeilen
Separator: Polyolefin
11
unterschiedliche Materialien geben. Es wird meiner
Anoden: In den kommenden Jahren dürften modifizierte, z. B.
Meinung nach kein Material geben, das für alle Anforde-
nanostrukturierte Graphite, Soft Carbon, Si-Legierungen sowie
rungen gleichermaßen geeignet sein wird. Das gilt für
Li-Titanate als Anodenmaterialien die aktuell verfügbaren Zell­
die Komponenten: Kathoden, Anoden und Elektrolyt.“
typen verbessern. Li-Titanate zusammen mit Hochvoltkathoden
Dr. Rüdiger Oesten, BASF Future Business
ermöglichen voraussichtlich bis 2015 erste kommerzielle Hochvoltzellen. Graphit-Metallkomposite, nicht Si-basierte Legierun-
„Bereits heute gibt es Erfolg versprechende Material­
gen sowie Li-Metallanoden dürften mittelfristig bis 2020 zu In-
innovationen bei Anoden z. B. auf Basis von Si-basierten
novationen führen.
Legierungen, Graphit-Metallkompositen sowie Li-Metallanoden, z. B. die Produktfamilie Nexelion von Sony.
Elektrolyte: Die kurzfristigen Erwartungen ruhen insbesondere
auf LiPF6-freien Elektrolyten sowie auf Gelpolymerelektrolyten.
Allerdings ist die Stabilität der Zyklen noch mäßig.“
Dr. Kai-C. Möller, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung
5V-Elektrolyte werden als mittelfristige Entwicklung eingeschätzt und korrelieren mit der Entwicklung der 5V-Zellen.
12
13
+
0
0
–
0
+
+
0
k. A.
Umgebungsbedingungen
(Temperatur)
+
0
k. A.
+
++
hohe T: +
tiefe T: –
–
0
–
Sicherheit
–
0
–
–
–
Zelle: 0
Betrieb: –
++
0
Zelle: 0
Betrieb: –
++
++
0
0
Li-Me
Li-S
Li-Polymer
Li-FeststoffZellen (nicht
polymer)
Leb
EIGENSC
Kalendarische
Lebensdauer
ZELLTYPEN
Kosten
ZEIT
2010
+
kurzfristig
Li-Ionen
0
2015
Li-Zellen mit
Hochkapazitäts
Anode
LTO / 5V
Casing
0
mittelfristig
5V Zellen
Verbesserter Pouch – AL Laminat
2020
0
langfristig
Li-Zellen mit
Hochkapazitätskathode
+
2030
Li-Luft
Verbesserter Pouch – AL Laminat
Ableitelektrode als Gehäuse
5V Spinell
Li Ni Me Me O2
ZELLE
Kathode
Li Ni Me Me O2
Hochvolt (HV)
Li Fe PO4
Anode
modifizierte Graphite
Li-Titanat
Legierungen Si
Soft Carbon
C / MetallKomposite
Li PF 6 - frei
+ org. LM etc.
Gelpolymerelektrolyte
TECHNOLOGIEFELD
PB Batterie
Supercaps
Besonders aussichtsreich erachtete Zelltypen wie 5V-Zellen und
-SO4F
Fluor als MeFx,
Me: Metall
strukturierte
Elektroden
Legierung
nicht Si
Li-Metall
Polymermembran
chemisch
imprägniert
Gewebe
Vlies
Festelektrolyt
nicht Polymer
gecasteter
Separator
NiZn
Redox Flow
Ex perten statem en ts
Brennstoffzelle
Brennstoffzelle
„Deutschland könnte von seinem Maschinen-Know-how
Hybrid Supercap
Feststoff-Zellen,
aber auch konkrete Zelltypen wie Hochtemperatur
z. B. Li-Me-, profitieren,
Batterie, nichtum
Li besonders hochwertige Li-Ionen-Zellen
Konkurrenz-
Hochtemperatur Batterie, nicht Li
Technologiesind in der Technologie-Roadmap
Li-S- und Li-Luft-Zellen
eingefür Serienschaltungen und automotive Einsatzgebiete
zu
Ni / MH
Synthese-Gas
- Benzin
Zn-Luft
tragen. Aus den erwarteten Entwicklungen der Zellkomponen-
produzieren: bei geringer Streuung, geringem Aus-
ten ergeben sich inhaltliche Abhängigkeiten (Pfeile).
schuss und einem hohen Automatisierungsgrad der Pro-
duktion. Das sollte als mögliche Chance für Li-Ionen in
TECHNOLOGIE-ROADMAP
Zwischen 2010 und 2015 sind Zelltypen ausgespart, die sich Deutschland geprüft werden.“
rein aus Permutationen der Materialien auf Komponentenebene
Dr. Peter Birke, Continental Batteriesysteme
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
2030
und deren Zellkomponenten ergeben. Dazu zählen z. B. Zellty-
Mg- Luft / Mg
State of the Art vor 2010 für
Bewertung nach Eigenschaften
Kombination aus
Zellkomponenten:
gegenüber State of the Art bis
Zellkomponenten:
Kathoden: LCO, LMO
2010:
Nicht alle explizit dargestellt, ohne
Anode: Graphite, Hard Carbon
0
gleich
pen auf der Basis der Zellchemien: LFP/C, NMC/C, NCA/C, NCA/
Zeitrahmen:
„Für die Li-S-Zellen und die Li-Luft-Zellen ist ein grund-
Elektrolyte, LiPF6 in organ.
+
besser
LTO, LMO/LTO
und der
LMP/C.
Frage
nach Marktreife
Technologien; Version: LIBRoad_v2
sätzlich neues Design mit neuem Elektrodenkonzept und
Flüssigkeiten,
–
schlechter – – viel schlechter
neuartigem Aufbau notwendig. Diese stellen echte
Separator: Polyolefin
Im0 Zeitraum 2010 – 2015 ließen sich viele Zelltypen verorten,
1
Luft
5V Elektrolyt
Zellulose
Schwungrad
Hybrid
Konversionskathodenmater
Additive
Separator
Z el lty pen
Schwefel
Additive
Elektrolyt
KomplementärTechnologie
Li (Ni) PO4 5V
Li (Co) PO4 5V
4V
Mn Phosphat
Komposite
(Kathode)
Herausforderungen dar.“
Anspruch auf Vollständigkeit
++
viel besser
•
AI- Luft / AI
Auswahl bestimmter aussichtsreicher
Zelltypen durch Teilnehmer
•
•
Im Workshop bewertet (LIBRoad_v1)
Nach Workshop bewertet (LIBRoad_v2)
Abhängigkeiten:
Darstellung mit Pfeilen
11
die internationale Batteriehersteller bereits erforschen und teil-
Dr. Reinhard Mörtel,
weise zur Marktreife entwickeln, darunter z. B. A123 Systems,
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
LG Chemicals, Panasonic, Samsung, Sanyo, JCI-Saft, Hitachi, GS
Yuasa, LTC-Gaia, Toshiba und Altair.
Zwischen den einzelnen Entwicklungen sind inhaltliche Abhängigkeiten festzustellen. So können bspw. Li-Polymer-Zellen ab
2020 den Weg für Festkörperionenleiter-basierte Li-Feststoffzellen ebnen.
14
15
2010
KURZFRISTIG
kurzfristig
2015
2020
MITTELFRISTIG
mittelfristig
2030
LANGFRISTIG
langfristig
0
+
++
+
+
++
0
+
+++
Leistungsdichte
+
–
0
+
+
hohe T: +
tiefe T: –
–
0
––
++
–
0
–
0
+
+
+
k. A.
Kalendarische
Lebensdauer
+
0
0
–
0
+
+
0
k. A.
Umgebungsbedingungen
(Temperatur)
+
0
k. A.
+
++
hohe T: +
tiefe T: –
–
0
–
Sicherheit
–
0
–
–
–
Zelle: 0
Betrieb: –
++
0
Zelle: 0
Betrieb: –
Kosten
+
0
0
++
++
0
0
0
+
Li-Ionen
LTO / 5V
Li-Zellen mit
Hochkapazitäts
Anode
5V Zellen
Li-Me
Li-S
Li-Polymer
Li-FeststoffZellen (nicht
polymer)
Lebensdauer
Energiedichte
Betriebs- Lebensdauer
(Zyklenbeständigkeit)
ZELLTYPEN
EIGENSCHAFTEN
ZEIT
Casing
Verbesserter Pouch – AL Laminat
Li-Zellen mit
Hochkapazitätskathode
Li-Luft
Verbesserter Pouch – AL Laminat
Ableitelektrode als Gehäuse
Eigensc haf t e n
Kathode
5V Spinell
Li Ni Me Me O2
Li Fe PO4
Für die Charakterisierung der Zelltypen sind sieben ZelleigenZELLE
schaften zugrunde gelegt: Energiedichte,
Anode
Li Ni Me Me O2
Hochvolt (HV)
Li (Ni) PO4 5V
Li (Co) PO4 5V
4V
Mn Phosphat
Komposite
(Kathode)
Einsatz in Elektrofahrzeugen. Deshalb dürften Li-Feststoffzellen,
modifizierte Graphite
Leistungsdichte,
Be- die
ab
2020Li-Titanat
erwartet
werden, zu den künftig wohl wichtigsten
Legierungen Si Zelltypen zählen.
Soft Carbon
triebs- und kalendarische Lebensdauer, Umgebungsbedingun-
C / MetallKomposite
Schwefel
Konversionskathodenmater
-SO4F
Fluor als MeFx,
Me: Metall
strukturierte
Elektroden
Legierung
nicht Si
Luft
Li-Metall
gen, Sicherheit und Kosten. Grundlage der Beurteilung ist eine
Fünfer-Skala: – – viel schlechter, – schlechter, 0 vergleichbar, +
Elektrolyt
besser, ++ viel besser. Der State of the Art bildet den Referenz-
Additivekönnten vor allem Li-Me- und Li-S-Zellen bis
In punkto Kosten
2020
maßstab der vergleichenden Beurteilung.
Li PF 6 - frei
interessante
Impulse
+ org. LM etc.
5V Elektrolyt
Aufgrund der erreichbaren Energiedichten erscheinen 5V-Zellen
Eine Beurteilung
der Eignung von Zelltypen für spezifische AnSeparator
wendungen, insbesondere für die Elektromobilität, erfordert,
Additive
Gelpolymerliefern.
elektrolyte
chemisch
Zellulose
zwischen 2015 und 2020, Li-Polymer-Zellen
um 2020
sowie Liimprägniert
Polymermembran
Gewebe
Vlies
Festelektrolyt
nicht Polymer
gecasteter
Separator
Luft-Zellen ab 2030 als aussichtsreiche Kandidaten.
dass Technologie- und Produkt-Roadmap systematisch miteinTECHNOLOGIEFELD
Schwungrad
PB Batterie
ander verknüpft werden, indem die
technologischen
Entwick-
lungen mit
Komplementärden
Anforderungen
Technologie
Hybrid
Ex perten statem en ts
NiZn
Redox Flow
an Batterien auf den Märkten
Supercaps liefert die Beurteiaufeinander abgestimmt werden. Allerdings
„Wenn es um Elektromobilität geht, dann ist auf jeden
lung aus technologischer Expertensicht bereits wertvolle Hin-
Brennstoffzelle
Fall die Energiedichte eine Schlüsseleigenschaft“
weise über besonders interessante Kandidaten.
Die
Konkurrenz-
Technologie
Beurteilung
der Eigenschaft:
Brennstoffzelle
Dr. Rüdiger Oesten, BASF Future Business
Hybrid Supercap
Hochtemperatur Batterie, nicht Li
Ni / MHfolgt dem
Synthese-Gas
- Benzin
Sicherheit
Denken in
„Die
Zelltypen. Produktionsbedingungen sind hier nicht berücksichtigt. Die Sicherheit von Li-Ionen-Batterien ist zentral für den
Hochtemperatur Batterie, nicht Li
gesamte Entwicklung ist im
Zn-Luft
Wesentlichen
von der
Mg- Luft / Mg
AI- Luft / AI
Energiedichte getrieben.“
Dr. Peter Birke, Continental Batteriesysteme
TECHNOLOGIE-ROADMAP
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN 2030
State of the Art vor 2010 für
Bewertung nach Eigenschaften
Kombination aus
Zellkomponenten:
gegenüber State of the Art bis
Zellkomponenten:
Kathoden: LCO, LMO
2010:
Nicht alle explizit dargestellt, ohne
Anode: Graphite, Hard Carbon
0
gleich
Anspruch auf Vollständigkeit
Zeitrahmen:
Elektrolyte, LiPF6 in organ.
+
besser
Frage nach Marktreife der Technologien; Version: LIBRoad_v2
Flüssigkeiten,
–
schlechter – – viel schlechter
++
viel besser
•
Auswahl bestimmter aussichtsreicher
Zelltypen durch Teilnehmer
•
•
Im Workshop bewertet (LIBRoad_v1)
Nach Workshop bewertet (LIBRoad_v2)
Abhängigkeiten:
Darstellung mit Pfeilen
Separator: Polyolefin
16
0
17
1
Leb
ZELLE
EIGENSCH
Kalendarische
Kathode
Lebensdauer
Umgebungsbedingungen
(Temperatur)
Anode
ZELLTYPEN
modifizierte Graphite
Li-Titanat
Legierungen Si
Soft Carbon
Sicherheit
2010
Li PF 6 - frei
kurzfristig
+ org. LM etc.
C / Metall0
Komposite
Legierung
k. A.
nicht Si
–
0
–
2015
PB Batterie
Verbesserter Pouch – AL Laminat
–
Additive
chemisch
imprägniert
Ni / MH
++
Li-Zellen
mit
Gewebe
Hochkapazitäts
Vlies
Anode
gecasteter
5V Zellen
Separator
Li-Me
Luft
k. A.
0 MeFx,
Fluor als
Me: Metall
hohe T: +
tiefe T: –
–
0
–
Zelle: 0
Betrieb: –
++
0
Zelle: 0
Betrieb: –
2020
0
0
langfristig
Festelektrolyt
nicht Polymer
Li-FeststoffLi-Polymer Zellen (nicht
polymer)
Li-S
NiZn
Li Ni
Me Me O2
Brennstoffzelle
Hochvolt (HV)
Li Fe PO4
Technologie
Anode
++
+
0
2030
+
Li-Zellen mit
Hochkapazitätskathode
Li-Luft
Redox
Flow Pouch – AL Laminat
Verbesserter
5V Spinell
Hochtemperatur Batterie, nicht Li
Li-Titanat
modifizierte Graphite
Synthese-Gas - Benzin
Legierungen Si
Soft Carbon
Li PF 6 - frei
+ org. LM etc.
C / MetallKomposite
Zn-Luft
„Mg-Luft/Mg-, Al-Luft/Al-Systeme sowie weitere nicht Li-
Technologien von Li-Ionen-Batterien erfasst und deren techno-
basierte Hochtemperaturbatterien könnten ab 2030
logische Entwicklungen abgeschätzt.
Das Technologiefeld
Schwungrad
PB Batterie ist
10
KomplementärHybrid
sozusagen eine
benachbarte Fahrspur
in der Roadmap-Archi-
als Konkurrenz auftreten, Zink-Luft Systeme
NiZnvielleicht ab
tektur.
kurrenz geben, die Li-Ionen-Batterien überholen oder
Technologie
Supercaps
Als komplementäre Technologien zählen aus Sicht der Experten
Additive
Bewertung nach Eigenschaften
Flüssigkeiten,
+
besser
–
schlechter – – viel schlechter
Separator: Polyolefin
++
viel besser
Auswahl bestimmter aussichtsreicher
Zelltypen durch Teilnehmer
•
•
Im Workshop bewertet (LIBRoad_v1)
Nach Workshop bewertet (LIBRoad_v2)
Darstellung mit Pfeilen
Redox Flow
überflüssig machen wird.“ Brennstoffzelle
Dr. Kai-C. Möller, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung
11
Brennstoffzelle
Hybrid Supercap
Hochtemperatur Batterie, nicht Li
Mg- Luft / Mg
AI- Luft / AI
tät leidet unter dem Riesenproblem der Wasserstofferzeugung und der Infrastruktur für H2. Dass dies flächen-
TECHNOLOGIE-ROADMAP
Die Brennstoffzellentechnologie kann je nach Anwendung den Brennstoffzellen betriebene Autos enthalten Lithium-IoEinsatzbereich von Li-Ionen-Batterie ergänzen und z. B. mit einer nen-Batterien, um eine hohe Leistung zu erzielen.“
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
2030
Dr. Rüdiger Oesten, BASF Future Business
Hochleistungsbatterie ein Hybridsystem bilden oder aber mit ihr
konkurrieren. Sie ist sowohl Komplementär- als auch KonkurZeitrahmen:
State of the Art vor 2010 für
Bewertung nach Eigenschaften
Kombination aus
Zellkomponenten:
gegenüber State of the Art bis
Zellkomponenten:
Kathoden: LCO, LMO
2010:
Nicht alle explizit dargestellt, ohne
Anode: Graphite, Hard Carbon
0
gleich
Anspruch auf Vollständigkeit
Elektrolyte, LiPF6 in organ.
+
besser
„Es wird schwer sein, echte Alternativen zu Li-Ionen zu
Flüssigkeiten,
–
schlechter – – viel schlechter
finden, bis diese durch mögliche Nachfolger ab 2020 zu-
Separator: Polyolefin
Die
1
0 NiMH-Batterie ist derzeit noch als Konkurrenz zur Li-IonenBatterie zu sehen. Mittelfristig um 2020 deuten sich weitere
sehends ergänzt und teilweise abgelöst werden. Dazu
konkurrenzfähige Alternativen zu Li-Ionen-Batterien an, z. B.
gend in seiner Stellung.“
Zn-Luft für stationäre Anwendungen, langfristig um 2030 z. B.
AI- Luft / AI
2020. Bis 2025– 2030 wird es sicher keine ernsthafte Kon-
deckend möglich ist, sehe ich noch nicht. Auch mit
renztechnologie.
Frage
nach Marktreife der Technologien; Version: LIBRoad_v2
Luft
Abhängigkeiten:
wie z. B. Supercaps,
aber auch andere
elektrochemische
Ener„Die Brennstoffzellentechnologie für dieZn-Luft
ElektromobiliTechnologie
Ni / MH
Synthese-Gas
- Benzin
Redox-Flow-Batterie.
•
Kombination aus
gegenüber State of the Art bis
Zellkomponenten:
PolymerFestelektrolyt
2010:
Nicht alle explizit dargestellt, ohne
membran
nicht Polymer
0 gleich
Anspruch auf Vollständigkeit
Anode: Graphite,gecasteter
Hard Carbon
Gewebe
Vlies
Elektrolyte,
LiPF6Separator
in organ.
mechanische KonkurrenzEnergiespeicher wie z. B. Schwungrad,Hochtemperatur
elektrische
Batterie, nicht Li
giespeicher, etwa auf Basis von Bleisäure und NiZn sowie die
Fluor als MeFx,
Me: Metall
Mg- Luft / Mg
Li-Metall
Kathoden: LCO, LMO
chemisch
imprägniert
-SO4F
Hybrid Supercap
Konversionskathodenmater
strukturierte
Hochtemperatur Batterie, nicht Li
Elektroden
5V Elektrolyt
Zellkomponenten:
Im Technologiefeld sind komplementäre und konkurrierende
Frage nach Marktreife der Technologien; Version: LIBRoad_v2
Legierung
nicht Si
Brennstoffzelle
Schwefel
State of the Art vor 2010 für
Gelpolymerelektrolyte
Zellulose
Separator
Li (Ni) PO4 5V
Li (Co) PO4 5V
4V
Mn Phosphat
Komposite
(Kathode)
Additive
Elektrolyt
TECHNOLOGIEFELD
–
-SO4F
Ableitelektrode als Gehäuse
Li Ni Me Me O2
Konkurrenz-
+
strukturierte
Elektroden
+
++
Li-Metall
0
mittelfristig
5V Elektrolyt
Supercaps
Kathode
0
Polymermembran
Zellulose
LTO / 5V
Schwungrad
Hybrid
0
TECHNOLOGIE-ROADMAP
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
2030
T ec hno l o g i e f e l d
Ex perten statem
en ts
Zeitrahmen:
Schwefel
–
Li (Co) PO4 5V
0
4V
Mn Phosphat
0
+
Gelpolymer+
elektrolyte
Separator
Li-Ionen
Casing
KomplementärTechnologie
Komposite
(Kathode)
Additive
Elektrolyt
Kosten
ZEIT
ZELLE
TECHNOLOGIEFELD
Li Ni Me Me O2
Hochvolt
+ (HV)
Li Fe PO4
++
viel besser
•
Auswahl bestimmter aussichtsreicher
Zelltypen durch Teilnehmer
•
•
Im Workshop bewertet (LIBRoad_v1)
Nach Workshop bewertet (LIBRoad_v2)
Abhängigkeiten:
Darstellung mit Pfeilen
11
ist das elektrochemische System Li-Ionen zu herausraDr. Peter Birke, Continental Batteriesysteme
Mg-Luft / Mg- und Al-Luft / Al-Systeme sowie nicht Li-basierte
Hochtemperaturbatterien. Auch hybride Supercap-Technologien
dürften ab 2015 eine Konkurrenz für Li-Ionen-Batterien in spezifischen Einsatzgebieten darstellen.
18
19
AUsblick
Aktualisierung der Roadmap ...
Benachbarte Projekte zur Elektromobilität
Projekt
Arbeitsschwerpunkte des fraunhofer ISI
Förderung
Die Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 ist ein
lebendiges Planungsdokument. Sie wird fortlaufend aktualisiert
Das Fraunhofer ISI bearbeitet eine Reihe von Forschungsprojek-
Begleitforschung
Bewertung der Li-Ionen Entwicklungsmöglichkeiten
BMBF
ten rund um die Elektromobilität, jeweils mit spezifischen Ar-
LIB 2015
Roadmapping
und weiterentwickelt (Stand Juni 2010: LIBRoad_v2). Beim
beitsschwerpunkten. Das Spektrum reicht von einem systemi-
Fraunhofer ISI ist eine Projektwebsite eingerichtet, um die Road-
schen Ansatz mit einer Untersuchung sozio-ökonomischer
Fraunhofer
Sozio-ökonomische Begleitstudie
map zu kommentieren und Anregungen für die Weiterentwick-
Aspekte der Elektromobilität über Fragen der Energiebereitstel-
Systemforschung
Forum Elektromobilität
lung einfließen zu lassen. Ferner sind dort Hinweise zu Veran-
lung, der Ausgestaltung der Beladeinfrastruktur und der Ent-
Elektromobilität
staltungen und über die nächsten Schritte der Weiterentwicklung
wicklung von Batterie- und Fahrzeugkonzepten bis hin zu neuen
zu finden: www.isi.fraunhofer.de/libroad.php.
Mobilitätskonzepten und der Nutzerakzeptanz.
Die Weiterentwicklung der Roadmap sieht bspw. vor, Alternati-
Nach Prüfung und Feedback der Teilnehmenden sowie Ergän-
ven zu Lithium-Ionen Batterien genauer zu betrachten sowie
zungen im erweiterten Kreis von Fachleuten liegt die Technolo-
Herausforderungen in Form von Bottlenecks wie z. B. mögliche
gie-Roadmap derzeit in zweiter Version vor: LIBRoad_v2 (Stand:
MeRegioMobil
Geschäftsmodelle, Steuerung Akzeptanz
Technologiesprünge, physikalische Grenzen und deren Bedeu-
Juni 2010). In dieser Technologie-Roadmap sind die technologi-
(Pilot Karlsruhe)
Fokus auf Smart Home
tung für die Technologieentwicklungen zu identifizieren. Darü-
schen Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien durch einzel-
ber hinaus sollen die bisherigen Bewertungen weiter spezifiziert
ne Zellkomponenten, Zelltypen und deren Eigenschaften sowie
Flottenversuch
Systemintegration von erneuerbaren Energien
BMU
werden, wie sich z. B. Zelleigenschaften bei Zellalterung verän-
komplementäre und konkurrierende Technologien inhaltlich er-
Elektromobilität
dern und was Sicherheit letztlich ausmacht.
fasst und für den Zeitraum von 2010 bis zum Jahr 2030 abgeVergleich
Vergleich Energieträger bei mobilen und stationären
RWE
Wasserstoff – Strom
Anwendungen
schätzt.
Sozialwissenschaftliche
Einrichtung einer sozialwissenschaftlichen Plattform
Begleitforschung
Kundenakzeptanzanalysen
BMBF
BMVBS
der Modellregionen
BMWi
... und nächste Schritte der Weiterentwicklung
Noch im Jahr 2010 ist geplant, die Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 um eine Produkt-Roadmap zu ergänzen.
• Die Produkt-Roadmap umfasst dann die Marktseite: Anforderungen an Batterien, komplementäre und konkurrierende Energiespeicher und Antriebe sowie Anwendungen für
Elektromobilität und andere Einsatzfelder für Lithium-IonenBatterien.
• Im Jahr 2011 werden dann die jeweils fortlaufend aktualisierte Technologie- und Produkt-Roadmap verknüpft und in
einer Gesamtroadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030 zusammengeführt.
20
21
I m pr essum
Herausgeber: Fraunhofer-Institut für
Prof. Dr. Martin Wietschel
System- und Innovationsforschung ISI
Fraunhofer-Institut für
Breslauer Straße 48
System- und Innovationsforschung ISI
76139 Karlsruhe
Telefon: 0721 6809-254, Fax: 0721 6809-272
E-Mail: [email protected]
E-Mail: [email protected]
Web: www.isi.fraunhofer.de
Gestaltung: Sebastian Cremers, Zürich
Projektbetreuung: Dr. Axel Thielmann
Illustrationen: Heyko Stöber, Hohenstein
Fraunhofer-Institut für
Druck: E & B Engelhardt und Bauer, Karlsruhe
System- und Innovationsforschung ISI
Stand: Juni 2010
Förderung: Bundesministerium für Bildung
1. Auflage: 2.000 Stück
und Forschung (BMBF)
Referat 511, Neue Werkstoffe, Nanotechnologie
Bestellung:
53170 Bonn
Fraunhofer-Institut für
Web: www.bmbf.de
System- und Innovationsforschung ISI
Projektbetreuung: Ingo Höllein
Competence Center Neue Technologien
Das Fraunho fer I SI
Dr. Axel Thielmann
Projektträger Jülich
Breslauer Straße 48
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Geschäftsbereich: Neue Materialien
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ISI analysiert die Rahmenbedingungen von Innovationen. Wir
und Chemie, NMT
Telefon: 0721 6809-299, Fax: 0721 6809-315
erforschen die kurz- und langfristigen Entwicklungen von Inno-
52425 Jülich
E-Mail: [email protected]
vationsprozessen und die gesellschaftlichen Auswirkungen
Web: www.fz-juelich.de
Web: www.isi.fraunhofer.de
neuer Technologien und Dienstleistungen. Auf dieser Grundlage stellen wir unseren Auftraggebern aus Wirtschaft, Politik
Projektbetreuung: Dr. Andreas Volz
© Fraunhofer-Institut für
und Wissenschaft Handlungsempfehlungen und Perspektiven
Autoren: Dr. Axel Thielmann
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22