MIT-Analyse zeigt dramatischen Preisverfall bei Lithium-Ionen-Batterien parallel zu Verbesserungen bei erneuerbaren Energien

Die Kosten der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien, die für Telefone, Laptops und Autos verwendet werden, sind in den letzten drei Jahrzehnten drastisch gesunken und waren eine wichtige Triebfeder für das schnelle Wachstum dieser Technologien. Der Versuch, diesen Kostenrückgang zu quantifizieren, hat jedoch zu uneindeutigen und widersprüchlichen Ergebnissen geführt, die Versuche, die Zukunft der Technologie zu prognostizieren oder sinnvolle Strategien und Forschungsprioritäten zu entwickeln, erschwert haben.

Nun haben Forscher des MIT eine umfassende Analyse der Studien durchgeführt, die sich mit dem Preisverfall dieser Batterien befasst haben, die heute die vorherrschende wiederaufladbare Technologie sind. Die neue Studie blickt über drei Jahrzehnte zurück und analysiert, wann immer möglich, auch die zugrunde liegenden Originaldatensätze und Dokumente, um ein klares Bild von der Entwicklung der Technologie zu erhalten.

Die Forscher stellten fest, dass die Kosten für diese Batterien seit ihrer Markteinführung im Jahr 1991 um 97 Prozent gesunken sind. Diese Verbesserungsrate ist viel schneller, als viele Analysten behauptet hatten, und ist vergleichbar mit der von Photovoltaik-Paneelen, die einige für einen Ausnahmefall gehalten hatten. Die neuen Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift Energy and Environmental Science in einem Artikel von Micah Ziegler, Postdoc am MIT, und Jessika Trancik, Associate Professor, veröffentlicht.

Es ist zwar klar, dass die Kosten bei einigen sauberen Energietechnologien wie Solar- und Windenergie dramatisch gesunken sind, sagt Trancik, aber als sie begannen, den Preisverfall bei Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen, "sahen wir, dass es erhebliche Meinungsverschiedenheiten darüber gab, wie schnell die Kosten für diese Technologien gesunken waren". Ähnliche Unstimmigkeiten traten auch bei der Verfolgung anderer wichtiger Aspekte der Batterieentwicklung zutage, wie z. B. der sich ständig verbessernden Energiedichte (in einem bestimmten Volumen gespeicherte Energie) und spezifischen Energie (in einer bestimmten Masse gespeicherte Energie).

"Diese Trends sind so bedeutsam, dass sie uns dorthin gebracht haben, wo wir jetzt sind, und auch dafür, was in Zukunft passieren könnte", sagt Trancik, der außerordentlicher Professor am MIT-Institut für Daten, Systeme und Gesellschaft ist. Es war zwar allgemein bekannt, dass der Rückgang der Batteriekosten ein Grund für den jüngsten Anstieg der Verkaufszahlen von Elektrofahrzeugen war, aber es war nicht klar, wie stark dieser Rückgang war. Durch diese detaillierte Analyse konnten wir bestätigen, dass sich die Lithium-Ionen-Batterietechnologien in Bezug auf ihre Kosten verbessert haben, und zwar in einem Maße, das mit der Solarenergietechnologie und insbesondere mit Photovoltaikmodulen vergleichbar ist, die oft als eine Art Goldstandard für Innovationen im Bereich der sauberen Energie angesehen werden", sagt sie.

Es mag seltsam erscheinen, dass es eine so große Unsicherheit und Uneinigkeit darüber gab, wie stark die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien gesunken waren und welche Faktoren dafür verantwortlich waren, aber tatsächlich liegen viele der Informationen in Form von streng gehüteten Unternehmensdaten vor, die für Forscher nur schwer zugänglich sind. Die meisten Lithium-Ionen-Batterien werden nicht direkt an die Verbraucher verkauft - Sie können nicht zu Ihrer typischen Drogerie an der Ecke laufen, um eine Ersatzbatterie für Ihr iPhone, Ihren PC oder Ihr Elektroauto zu kaufen. Stattdessen kaufen die Hersteller Lithium-Ionen-Batterien und bauen sie in Elektronik und Autos ein. Große Unternehmen wie Apple oder Tesla kaufen Batterien millionenfach ein oder stellen sie selbst her, und zwar zu Preisen, die ausgehandelt oder intern abgerechnet, aber nie öffentlich bekannt gegeben werden.

Ein weiterer Rückgang der Kosten für Lithium-Ionen-Batterien könnte nicht nur die Elektrifizierung des Verkehrssektors vorantreiben, sondern auch den Einsatz der Batterien in stationären Anwendungen erhöhen, um die schwankende Versorgung mit sauberen Energiequellen wie Sonne und Wind auszugleichen. Beide Anwendungen könnten wesentlich dazu beitragen, den weltweiten Ausstoß von klimaschädlichen Treibhausgasen einzudämmen. "Ich kann gar nicht hoch genug einschätzen, wie wichtig diese Trends bei der Innovation im Bereich der sauberen Energien sind, um uns dorthin zu bringen, wo wir jetzt stehen, wo wir eine rasche Elektrifizierung von Fahrzeugen und ein schnelles Wachstum von Technologien für erneuerbare Energien sehen", sagt Trancik. "Natürlich gibt es noch so viel mehr zu tun, um den Klimawandel zu bekämpfen, aber das war wirklich ein Wendepunkt".

Bei den neuen Erkenntnissen geht es nicht nur darum, die Geschichte der Batterieentwicklung zurückzuverfolgen, sondern auch darum, die Zukunft zu gestalten, betont Ziegler. Bei der Durchsicht der gesamten veröffentlichten Literatur zum Thema Kostensenkungen bei Lithium-Ionen-Zellen fand er "sehr unterschiedliche Maße für die historische Verbesserung". Und in einer Vielzahl verschiedener Arbeiten nutzten die Forscher diese Trends, um Vorschläge zu machen, wie die Kosten für Lithium-Ionen-Technologien weiter gesenkt werden können oder wann sie die Kostenziele erreichen könnten." Da die zugrundeliegenden Daten jedoch so unterschiedlich waren, "konnten die Empfehlungen der Forscher sehr unterschiedlich ausfallen". Einige Studien deuteten darauf hin, dass die Kosten von Lithium-Ionen-Batterien für bestimmte Anwendungen nicht schnell genug sinken würden, während andere viel optimistischer waren. Solche Unterschiede in den Daten können sich letztlich auf die Festlegung von Forschungsprioritäten und staatlichen Anreizen auswirken.

Die Forscher untersuchten die ursprünglichen Quellen der veröffentlichten Daten und fanden in einigen Fällen heraus, dass bestimmte Primärdaten in mehreren Studien verwendet worden waren, die später als separate Quellen zitiert wurden, oder dass die ursprünglichen Datenquellen auf dem Weg verloren gegangen waren. Und während sich die meisten Studien nur auf die Kosten konzentrierten, wurde laut Ziegler klar, dass eine solche eindimensionale Analyse möglicherweise unterschätzt, wie schnell sich die Lithium-Ionen-Technologien verbessern; neben den Kosten sind auch Gewicht und Volumen Schlüsselfaktoren sowohl für Fahrzeuge als auch für tragbare Elektronik. Daher fügte das Team der Studie eine zweite Schiene hinzu, in der auch die Verbesserungen bei diesen Parametern analysiert wurden.

"Lithium-Ionen-Batterien wurden nicht eingeführt, weil sie damals die preiswerteste Technologie waren", sagt Ziegler. "Es gab günstigere Batterietechnologien. Die Lithium-Ionen-Technologie wurde eingeführt, weil sie es ermöglicht, tragbare elektronische Geräte in die Hand zu nehmen, weil sie es ermöglicht, Elektrowerkzeuge herzustellen, die länger halten und mehr Leistung haben, und weil sie es uns ermöglicht, Autos zu bauen", die eine ausreichende Reichweite haben. "Ich hatte das Gefühl, dass die Betrachtung des Dollars pro Kilowattstunde nur einen Teil der Geschichte erzählt", sagt er.

Diese umfassendere Analyse hilft dabei, zu definieren, was in Zukunft möglich sein könnte, fügt er hinzu: "Wir sagen, dass sich die Lithium-Ionen-Technologien für bestimmte Anwendungen schneller verbessern könnten, als dies bei der Betrachtung nur eines Leistungsmaßes zu erwarten wäre. Wenn man mehrere Messgrößen betrachtet, erhält man ein klareres Bild von der Verbesserungsrate, und das deutet darauf hin, dass sie sich für Anwendungen, bei denen die Beschränkungen hinsichtlich Masse und Volumen gelockert werden, möglicherweise schneller verbessern könnten.

Trancik fügt hinzu, dass die neue Studie eine wichtige Rolle bei der energiepolitischen Entscheidungsfindung spielen kann. "Veröffentlichte Datentrends zu den wenigen sauberen Technologien, die im Laufe der Zeit erhebliche Kostensenkungen erfahren haben - Wind, Solar und jetzt Lithium-Ionen-Batterien - werden immer wieder zitiert, und zwar nicht nur in wissenschaftlichen Abhandlungen, sondern auch in politischen Dokumenten und Industrieberichten", sagt sie. "Viele wichtige klimapolitische Schlussfolgerungen beruhen auf diesen wenigen Trends. Aus diesem Grund ist es wichtig, sie richtig zu verstehen. Es besteht ein echter Bedarf, mit den Daten sorgfältig umzugehen und unsere Fähigkeiten im Umgang mit Technologiedaten und bei der Verfolgung dieser Trends insgesamt zu verbessern."

"Die Batteriekosten entscheiden über die Preisgleichheit von Elektrofahrzeugen mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor", sagt Venkat Viswanathan, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war. "Daher ist die Vorhersage des Rückgangs der Batteriekosten wahrscheinlich eine der größten Herausforderungen, wenn es darum geht, ein genaues Verständnis der Einführung von Elektrofahrzeugen zu gewährleisten.

Viswanathan fügt hinzu: "Die Erkenntnis, dass die Kosten schneller sinken können als bisher angenommen, wird eine breitere Akzeptanz ermöglichen, die zu höheren Stückzahlen und damit zu weiteren Kostensenkungen führt. ... Die mit dieser Arbeit kuratierten, analysierten und veröffentlichten Datensätze werden einen nachhaltigen Einfluss auf die Gemeinschaft haben."

Die Arbeit wurde von der Alfred P. Sloan Foundation unterstützt.

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Dieser Artikel wurde ursprünglich vom Massachusetts Institute of Technology veröffentlicht.
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