Elektromobilität – welche Zellformate setzen sich durch? – eine Bewertung der Fraunhofer-Allianz Batterien

Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) wächst mit dem Verkauf von Elektrofahrzeugen dynamisch an: Mit den bis Ende 2017 über 3 Millionen weltweit verkauften Elektroautos (Batterieelektrische – BEV und Plug-in Hybride – PHEV) wurden bislang über 80 GWh an Zellkapazität in Elektroautos verbaut. Allein in 2017 wurden bereits über 30 GWh nur für das PKW-Segment nachgefragt, was der globalen LIB-Nachfrage noch vor 5 Jahren entspricht. In den kommenden 10 Jahren wird sich die Nachfrage auf mehrere hundert GWh bis in den TWh Bereich entwickeln und entsprechend werden global Zellproduktionskapazitäten bis in diese Größenordnung aufgebaut.

Während sich Roadmaps der Zellhersteller und Automobilisten mit Blick auf die Weiterentwicklung der eingesetzten Chemien für Hochenergie-LIB Zellen konsolidiert haben, hat sich bislang jedoch kein dominantes Zellformat durchgesetzt. So produziert etwa Samsung seine Zellen insbesondere in prismatischer Form, während LG diese noch vornehmlich als Pouch fertigt. Panasonic stellt seine Zellen hingegen in zylindrischer 18650er-Form her und wird in der „Gigafactory“ künftig im 21700er Format produzieren. Dabei hängen angesichts der sich abzeichnenden Skaleneffekte künftige FuE-Investitionen, strategische Entscheidungen und schließlich Geschäftsmodelle von Zulieferern der Automobilindustrie und weiterer Systemintegratoren eng mit der Standardisierung und Etablierung der Zellformate zusammen.

Mit der Auswahl eines Zellformats sind jedoch mehrere für OEM relevante Aspekte verbunden, wie etwa die erreichbare Energiedichte, die geometrischen Abmessungen und damit Integrationsmöglichkeiten der Zellen in Module, die Wärmeentwicklung der Zellen und der Bedarf eines Thermomanagements, die Sicherheit der Zellen, Module und des Gesamtsystems, sowie die Kosten der Zell- und Modulherstellung. Eine Aussage über die Entwicklungspotentiale der unterschiedlichen Zellformate ist aufgrund der damit verbundenen Komplexität somit nur schwer zu treffen. Es bedarf einer systemischen Sicht entlang aller Aspekte und Kriterien von der Zell- bis Modulebene und schließlich des individuellen Fahrzeugkonzepts.

Das für eine übergreifende, systemische Bewertung notwendige Know-How bündelt die Fraunhofer Allianz Batterie daher über die relevanten Fachbereiche Materialwissenschaften, Produktionstechnik, Hochvolttechnik, Simulation und Betriebswirtschaft hinweg, um die Entwicklungspotentiale von Zellformaten aus einer solchen ganzheitlichen Perspektive heraus zu untersuchen.

Die Studie analysiert und bewertet fünf ausgewählte Zellgeometrien bis zum Jahr 2025. Dabei wird ein durchgehender Bottum-up Ansatz von der Batteriezelle über die Fertigung bis hin zum Batteriemodul verfolgt. Unter den getroffenen Prämissen weisen die Einzelergebnisse der Studie hinsichtlich der volumetrischen Energiedichte auf die besonders hohen Potenziale der zylindrischen Formate (18650 und 21700) sowie des Pouch-Formats hin. Langfristig ergeben sich mit größeren zylindrischen sowie mit Pouch Zellen die höchsten Energiedichten. Auf Modulebene halten die zylindrischen und Pouch Zellen zwar diesen Vorteil, bezüglich der Kühlung der Zellformate besitzt jedoch das prismatische Zellformat vergleichsweise sehr gute Eigenschaften, was sich für das Gesamtsystem vorteilhaft auswirkt. Auch schneidet das prismatische Format in Punkto Sicherheit am besten ab, liegt jedoch bzgl. der Kosten hinter dem Pouch- und dem 21700er-Zellformat. Die Gesamtkosten der Zellformate je kWh auf Modulebene zeigen, dass das 21700er-Zellformat durch Skaleneffekte kurzfristig wettbewerbsfähig wird, sich langfristig aber die Kosten aller Zellformate annähern werden.

Mittelfristig bietet sich das 21700er-Format somit zwar als eine gute Alternative an und ersetzt das 18650er Format. Mit Blick auf die sich rasant entwickelnden Elektroauto-Modelle (bis 2020 wird sich das Angebot auf über 600 Modelle verdoppeln), welche vornehmlich auf Pouch und prismatische Zellen setzen, zeigt sich aber, dass bestehende Nachteile dieser Formate in den kommenden Jahren ausgeglichen werden und sich großformatige LIB-Zellen langfristig in Elektro-PKW durchsetzen dürften.

Die Ergebnisse der Studie besitzen dabei keinen allgemeingültigen Charakter, da sie in starkem Maße von den getroffenen Annahmen und individuellen Anforderungen bzw. einer konkreten anwendungsspezifischen Auslegung in einem Elektrofahrzeug abhängen und zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen bzgl. geeigneter Zellformate führen können. Der ganzheitliche Ansatz erlaubt es jedoch im Rahmen eines multikriteriellen Analyse-Modells, die Zellformate systematisch vergleichbar zu machen und für individuelle Anwendungen zu bewerten.

Weitere Informationen: Die Studie „ENTWICKLUNGSPERSPEKTIVEN FÜR ZELLFORMATE VON LITHIUM-IONEN BATTERIEN IN DER ELEKTROMOBILITÄT“ kann unter dem folgenden Link heruntergeladen werden: www.batterien.fraunhofer.de