Eine gravimetrische Kapazität von 240 Wh/kg und eine volumetrische Energiedichte von 700 Wh/l. Klingt nach einer super Zelle? Hand aufs Herz! Wer kann mit diesen Daten spontan wirklich etwas anfangen? Dieser Artikel hilft, Unklarheiten zu beseitigen. Welche Leistungsdaten darf man heute wirklich von Zellen erwarten? Und wie sollen künftige Batteriechemien abschneiden?
Wer heutzutage eine neue Batterie-Zelle auf den Markt bringen möchte, veröffentlicht dazu in der Regel einige Leistungsparameter. Dazu gehören in der Regel
- Zellchemie
- Kapazität
- Temperaturbereich
- Spannungskurve
- Maximaler Lade- und Entladestrom
- Lebensdauer
- Volumen und Gewicht
Doch häufig fällt es trotzdem schwer, zu beurteilen, wie eine Zelle im Vergleich abschneidet. Während der zulässige Temperaturbereich noch sehr einfach zu überblicken ist, wird es bei anderen Parametern wesentlich schwieriger. Wie gut ist eine Zelle mit 50 Ah? Das kommt natürlich auf die Größe der Batterie an. Deswegen gibt es zwei weitere Parameter:
- Gravimetrische Kapazität (Ah/kg) Diese bezieht die Kapazität auf das Gewicht der Zelle
- Volumetrische Kapazität (Ah/l) Hier wird die Kapazität zum Zellvolumen ins Verhältnis gesetzt.
Mit diesen beiden Parametern ist es dann möglich, Zellen unterschiedlicher Größen und Formate zu vergleichen. Häufig wird die Kapazität mit der Nennspannung multipliziert (Für LFP-Zellen ist das ca. 3,2 V und für NMC/NCA ist das ca. 3,6 V), sodass sich die Energiedichte in Wh/kg bzw. Wh/l ergibt. in Wh/kg or Wh/l can be specified .
Aber wie gut ist nun eine Lithium-Zelle mit 240 Wh/kg?
Die Antwort darauf lässt sich nicht ohne weiteres geben, daher wurde eine Marktanalyse durchgeführt, die frei zugängliche Zell-Datenblätter berücksichtigt und je nach Zell-Typ angibt, welche Energiedichten zu erreichen sind. Für eine neue Zelle kann diese Tabelle dann immer als Referenz genutzt werden. Das Ergebnis der Recherche ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Welche Kapazität und Energiedichte (volumetrisch und gravimetrisch) sollte eine gute Lithium NMC, NCA oder LFP Zelle in 2024 erreichen?, Eigene Darstellung
An der Stelle ein paar Hinweise zur Aussagekräftigkeit der Daten (langweilig, aber muss sein):
Die Datenblätter, die im Internet verfügbar sind und die die Basis für diese Auswertung sind, sind teilweise sehr veraltet. Ein großer Teil der Zelldatenblätter sind bereits fünf Jahre oder älter. Alte Datenblätter wurden - wenn genügend andere Daten vorhanden waren - ignoriert (Was aufgrund der dünnen Datenlage nicht immer möglich war).
Insbesondere große Zellhersteller wie CATL, BYD etc. veröffentlichen teilweise gar keine Datenblätter, da sie nur im B2B-Markt aktiv sind. Die kleinen Hersteller stellen zwar Datenblätter online, erreichen aber systematisch schlechtere Zellparameter als die große Konkurrenz.
Insgesamt heißt das: Es besteht ein systematisch negativer Bias der Daten, die verfügbar sind. Der Kapazität der Zellen wird systematisch zu niedrig angegeben.
Deswegen wurden öffentlich zugängliche Roadmaps der Hersteller ebenfalls in die Datenauswertung miteinbezogen. In diesen Roadmaps geben Hersteller Prognosen, welche Energiedichten sie in den nächsten Jahren erreichen möchten. Hier besteht nun ein stark positiver Bias, da diese Roadmaps in der Regel bloße Willenserklärungen sind und sich in der Vergangenheit häufig gezeigt hat, dass Ankündigungen nicht umgesetzt worden sind. Angekündigte Energiedichten sind tendenziell zu hoch angesetzt.
Für die Datenanalyse wurden nun beide Datensätze kombiniert, gewichtet und mittlere Werte festgelegt. Dadurch werden Werte erreicht, wie sie für 2024 realistisch sind. Herausgekommen ist die Tabelle in Abbildung 1.
Zurück zur Anfangsfrage: Wie gut ist nun eine Lithium-Zelle mit 240 Wh/kg?
Das lässt sich mit der Tabelle nun leicht beantworten. Für einen Einsatz als stationärer Energiespeicher (High Energy Zelle), wäre die Zelle gut geeignet.
Wie gut werden Natrium-Ionen und Solid-State Batterie sein?
Nachdem nun für die gängigen Zellchemien LFP und NMC/NCA die am Markt zu erwartenden Leistungsparameter definiert wurden: Wie schaut es mit neuen Technologien wie Lithium Solid-State Batterien und Natrium-Ionen Batterien aus?
Bisher existieren nur sehr wenige Daten, sodass nur grobe Abschätzungen gemacht werden können. Die verfügbaren Daten sind zudem
- sehr lückenhaft,
- sind Prognosen der Hersteller
- oder kommen von vergleichsweise kleinen Herstellern.
Dennoch lohnt es sich, diese Daten zu analysieren. Sie können als Benchmarks für neue Ankündigungen dienen und zeigen wie sich der Markt in den nächsten Jahren verändern wird. In Abbildung 2 sind die verfügbaren Daten Solid-State und Natrium-Ionen Zellen aufgetragen.
Abbildung 2: Was sind die (volumetrischen und gravimetrischen) Kapazität + Energiedichten, die für Natrium-Ionen Batterien und Lithium-Solid State Batterien erreicht werden sollen?, Eigene Darstellung.
Wie kann man die Zellindustrie 2024 in einem Bild zusammenfassen?
Für die Darstellung der Leistungsparameter wird in der Batterieindustrie gerne ein Ragone-Diagramm verwendet. Dieses stellt die gravimetrische Leistung einer Zelle ihrer gravimetrischen Kapazität gegenüber und ermöglicht so leicht die Beurteilung, ob es sich um eine Energiezelle oder Leistungszelle handelt.
Diese Darstellung wird hier abgewandelt und stattdessen die gravimetrische Energiedichte mit der volumetrischen Energiedichte verglichen (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3: Welche Energiedichten sind typisch für die gängigen Zellchemien? Für Solid-State Batterien und Natrium-Ionen Batterien existieren nur wenige Messdaten, deswegen diese als Punkt dargestellt, Eigene Darstellung.
Für Lithium-LFP und NMC wurde das Spektrum aus Abbildung 1 als Rechteck eingezeichnet. Die neuen Zellchemien Natrium-Ionen und Lithium Solid-State sind aufgrund der geringen Datenverfügbarkeit nur als Punkt dargestellt.
