Panasonic gehört zu den Pionieren in Sachen Lithium-Ionen-Batterien und liegt derzeit auf Platz drei der größten Hersteller von Batteriezellen für Elektroautos. Nun verkündet die japanische Firma, dass ihr Geschäft mit E-Auto-Batterien "in eine neue Phase eintritt".

Das Unternehmen beschäftigt sich schon seit 1931 mit Batterien und führte 2006 seine ersten Lithium-Ionen-Zellen für den Einsatz in Fahrzeugen ein: zylindrische Zellen des Typs 1865, die hauptsächlich für Tesla bestimmt waren.

"Die zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien von Panasonic wurden ursprünglich entwickelt, um Notebook-PCs eine herausragende Langlebigkeit und ein geringes Gewicht zu verleihen, aber die aufkommende Nachfrage nach Batterien für den Einsatz in Fahrzeugen in den späten 2000er Jahren führte zur Entwicklung des Geschäftsbereichs Autobatterien von Panasonic."

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Neben den zylindrischen Zellen produzierte Panasonic ab dem Jahr 2010 auch prismatische Zellen für Hybridfahrzeuge (HEVs), die aber nur eine kleinen Anteil an der Produktion ausmachen. Daneben werden noch Nickel-Metallhydrid-Zellen für Hybridfahrzeuge gefertigt, bei denen das Produktionsvolumen konstant zu sein scheint:

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Die zylindrischen Zellen des Typs 1865 haben einen Durchmesser von 18 Millimetern und eine Höhe von 65 Millimetern. Dieser in Japan produzierte Zelltyp wird immer noch im Tesla Model S und X (einschließlich der neuesten Versionen) verwendet.

2017 nahm Panasonic in der Tesla Gigafactory in Nevada eine Produktionsanlage für den zylindrischen Batteriezellen-Typ 2170 in Betrieb. Diese Zellen (mit 21 mm Durchmesser und 70 mm Höhe) werden im Tesla Model 3 und Model Y sowie in stationären Energiespeichern verwendet. Das größere Volumen dieser Zellen führt zu einer deutlich höheren Speicherkapazität pro Zelle.

Panasonic-Batterien: Auf der linken Seite befindet sich der neueste 2170 und auf der rechten Seite der 1865, der auch in Notebook-PCs verwendet wird.
Panasonic-Batterien: Links der Typ 2170, rechts der Typ 1865, der in Model S/X sowie in Notebooks verwendet wird
Tesla Model 3 und Tesla Modell Y
Die 2170-Zellen werden im Model 3 und Model Y eingesetzt

"Wir haben das Geschäft in Nordamerika aufgebaut, indem wir unser Know-how aus der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien in Japan genutzt haben – mit diesem Know-how konnten wir ein Werk bauen, das fünfmal so groß und dreimal so schnell wie herkömmliche Anlagen ist.

Aufgrund der Beschaffenheit des Produkts mussten wir extrem hohe Sicherheits- und Qualitätsstandards erfüllen, und das mit einer neuen Belegschaft an einem Standort mit einer anderen Kultur und Sprache, während wir gleichzeitig agil und präzise sein mussten. Bei keinem dieser Punkte durften wir Kompromisse eingehen, wenn unser Ziel eine unterbrechungsfreie Produktion von Hochpräzisionsbatterien war." (Shawn Watanabe, Head of Energy Technology and Manufacturing bei Panasonic)

Tesla Giga Nevada (Tesla Gigafactory 1)
Tesla Giga Nevada (Tesla Gigafactory 1)

Panasonic hat seit etwa 2012 rund sieben Milliarden zylindrische Batteriezellen produziert, davon schon drei Milliarden von den neueren 2170-Zellen:

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Steigende Energiedichte

Nach der Präsentation von Shawn Watanabe (siehe Video unten) hat sich die volumetrische Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu 1994 mehr als verdreifacht. Wenn wir Watanabe richtig verstanden haben, lag sie 1994 bei etwa 230 Wattstunden pro Liter. Demnach müsste sie heute bei etwa 700 Wh/l liegen.

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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Energiedichte zu erhöhen. Man kann:

  • die chemische Zusammensetzung von Kathode und Anode verändern
  • die Menge des aktiven Materials in den Elektroden pro Zelle erhöhen
  • die Zelle vergrößern, wie zum Beispiel vom Typ 1865 zum Typ 2170

Aus diesem Grund war die Umstellung auf den Typ 2170 so wichtig. Dieser Formfaktor wird nun auch von anderen Batterie- und Elektroauto-Herstellern (wie Rivian) verwendet. Was die Zusammensetzung der Elektroden angeht, so setzte Panasonic auf der Kathodenseite seit 2003 NCM-Chemie (Nickel-Cobalt-Mangan) ein und seit 2006 NCA-Chemie (Nickel-Cobalt-Aluminium). Bei der Anode, die traditionell aus Graphit (also Kohlenstoff) besteht, wird schrittweise mehr Silicium (Si) eingebaut.

Ende 2020 hat Panasonic die Energiedichte seiner Zellen um etwa 5 Prozent erhöht (bei beiden Zellentypen) erhöht und plant, sie in den nächsten Jahren um 20 Prozent zu verbessern:

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Neben der Steigerung der Energiedichte hat Panasonic es auch geschafft, den Cobalt-Gehalt der Kathode zu senken, wie im unteren Bereich des obigen Charts zu sehen. Der Co-Gehalt soll in den nächsten Jahren auf Null sinken.

Dabei beträgt der Cobalt-Gehalt in den NCA-Zellen von Panasonic weniger als fünf Prozent. Zum Vergleich: In Zellen mit NCM811-Chemie liegt der Cobalt-Gehalt noch bei zehn Prozent. Dabei stellt die Verringerung des Co-Gehalts eine Herausforderung dar, da das Element die Kristallstruktur stabilisiert und damit auch für eine gute thermische Stabilität sorgt: 

"Cobalt, das in der Lage ist, Kristallstrukturen zu stabilisieren, ist ein wichtiges Material, um thermische Stabilität zu erreichen. Das von Panasonic verwendete aktive Kathodenmaterial - NCA* - benötigt weniger Cobalt als die Alternative - NCM**. Panasonic hat die Cobalt-Menge in jeder Batterie durch die Verwendung alternativer Elemente und die Oberflächenbehandlung schrittweise auf weniger als 5 % reduziert."

*NCA: Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien auf der Basis von Lithiumnickelat (Nickel/Cobalt/Aluminium)

**NCM: Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien auf der Grundlage eines ternären Systems (Nickel/Cobalt/Mangan)

Watanabe geht auch auf die gravimetrische Energiedichte ein. Diese siegt vom ursprünglich verwendeten Lithium-Cobalt-Oxid (bis 160 Amperestunden pro Kilo) auf 220 Ah/kg und darüber bei NCA-Batterien; das Ziel sind sogar über 250 Ah/kg: 

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An der Anode wird wie erwähnt schrittweise mehr Silicium eingebaut, offenbar in Form von Si-Sauerstoff-Gruppen oder aber dadurch, dass Silicium-Partikel nur noch eine dünne Kohlenstoff-Beschichtung erhalten. Dadurch soll die Energiedichte des Anodenmaterials von rund 380 Ah/kg bei künstlich erzeugtem Graphit auf 500 bis 1.000 Ah/kg steigen. Für die Zukunft arbeitet Panasonic an Zellen mit Lithium-Metall-Anode, womit die Energiedichte auf über 3.800 Ah/kg steigen würde: 

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Watanabe geht auch auf die Vorteile der cobaltfreien Kathode ein, die derzeit entwickelt wird. Offenbar ist die Zyklenfestigkeit bereits genauso groß wie bei den aktuellen NCA-Zellen. Durch die Zugabe von Silicium auf der Anodenseite wird zudem der Wirkungsgrad bei den Lade-Entlade-Zyklen erhöht:  

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Neue 4680-Zellen

Panasonic-Batterien: Von links: die 1865, 2170 und ein Modell der nächsten Generation großer zylindrischer Autobatterien.
Panasonic-Batterien, vom 1865-Typ links über den 2170-Typ bis zu noch größeren zylindrischen Zellen

Laut Panasonic wird die nächste Stufe in der Zellentwicklung durch deutlich größere Zellen erreicht: den 4680-Typ (mit 46 mm Durchmesser und 80 mm Höhe), der von Tesla-Chef Elon Musk im September 2020 vorgestellt wurde. Die Entwicklung ist im Gange.

"Die Kapazität ist die nächste Stufe in der Entwicklung der Automotive-Batterie. Panasonic treibt die Entwicklung einer großen zylindrischen Batterie der nächsten Generation voran, deren Zylinderdurchmesser mehr als doppelt so groß ist wie der derzeitige, und der erste Schritt wird die Einrichtung einer Testlinie in Japan sein, um Sicherheit und Leistung zu überprüfen.

Der Markt wartet aus zwei Gründen sehnsüchtig auf die größere Batterie: eine größere Kapazität bedeutet, dass weniger Batterien benötigt werden, um das gleiche Leistungsniveau zu erreichen; eine größere Kapazität reduziert auch die Anzahl der Halterungen an der Fahrzeugkarosserie, was die Anzahl der Schweißpunkte verringert und zu optimierten Gesamtkosten beiträgt".

Um die 4680-Zelle marktreif zu machen, müssen zunächst die Herausforderungen bei der Herstellung bewältigt werden.

"Aber die Kapazität bringt ihre eigenen Herausforderungen mit sich, darunter neue Designs und ein höheres Maß an Sicherheit. Mit einer umfassenden Qualitätskontrolle für jeden Prozess und einer Fertigungstechnologie, die in der Lage ist, größere Elektroden zu produzieren, verfügt Panasonic über das geballte Know-how, um sowohl Kapazität als auch Sicherheit zu bieten."

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Hier die englischsprachige Präsentation von Watanabe als Video: