Abbildung 1: Anzahl an Publikationen zum Thema Lithium-Ionen-Batterie weltweit, in Bezug darauf in Europa (EU27) sowie in Deutschland.

In der deutschen Forschungslandschaft ist ebenfalls eine stetige Zunahme für die Publikationsanzahl im Bereich der LIB festzustellen (s. Abbildung 2). Bei genauerer Betrachtung ist zu erkennen, dass bis 2016 die Veröffentlichungszahlen stark anstiegen (ca. Faktor 6) und im Anschluss nur mäßig zunahmen (2016: 604, 2019: 698). In den darauffolgenden Jahren 2020 und 2021 ist wiederum ein deutlicher Anstieg für die Publikationsanzahl zu beobachten, was durch die Einschränkungen für den Laborbetrieb bzw. dem verlagerten Arbeitsfokus (Publizieren) entsprechend der Maßnahmen der Corona-Pandemie [4] erklärt werden kann. Im letzten Jahr ist wieder ein leichter Anstieg für die Veröffentlichungsanzahl zu verzeichnen, sodass über 930 Publikationen zum Thema LIB publiziert wurden. Dies kann u. a. mit dem Auslaufen bzw. Ende der ersten Förderphase von einigen Batteriekompetenzclustern wie ProZell [5], AQuA [6], greenBatt [7] oder BattNutzung [8] in Zusammenhang gebracht werden, da die produzierten Entwicklungen und Forschungsergebnisse entsprechend in Publikationen zusammengefasst wurden. Somit wird deutlich, dass mit Hilfe von geförderten Projekten bzw. Kompetenzclustern ein entscheidender Mehrwert aus Deutschland für die Batterie-Community geschaffen wurde.

Abbildung 2: Anzahl an Publikationen zum Thema Lithium-Ionen-Batterie in Deutschland.

Als nächstes werden die Publikationsentwicklungen der wesentlichen Komponenten einer LIB (Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator) betrachtet (s. Abbildung 3). Hierbei sind zunächst keine wesentlichen Veränderungen in den einzelnen Forschungsgebieten innerhalb von Deutschland zu erkennen (Anzahl der Publikationen: 2013 – ca. 400, 2018 – ca. 850, 2023 – ca. 1.200).

Abbildung 3: Prozentuale Anteile der Anzahl an Publikationen der wesentlichen LIB-Komponenten bezogen auf Deutschland.

Lediglich kleinere Trends können beobachtet werden, sodass in den letzten 10 Jahren die Erforschung des Separators (2013: 5 %, 2023: 8 %) bzw. des Elektrolyten (2013: 29 %, 2023: 33 %) etwas mehr in den Fokus gerückt sind. Dadurch ist die Anzahl der Veröffentlichungen für die Anode (2013: 34 %, 2023: 30 %) sowie Kathode (2013: 32 %, 2023: 28 %) leicht zurückgegangen. Nichtsdestotrotz kann festgehalten werden, dass die beiden Elektroden und der Elektrolyt die Schwerpunktthemen in der deutschen Forschungslandschaft für den Bereich der LIB sind.

Neben der LIB werden noch weitere innovative Batterietechnologien intensiv erforscht. Dazu gehören u. a. die Natrium-Ionen-Batterie (NIB) und die Festkörperbatterie (FKB), die beide in den letzten Jahren einen erheblichen Aufschwung in der Forschungslandschaft erfahren haben. In Abbildung 4 werden die Veröffentlichungszahlen der drei verschiedenen Technologiefeldern FKB, NIB und LIB verglichen. Hierbei fällt als erstes auf, dass über die letzten 10 Jahre generell in allen drei Technologiefelder Publikationen entstanden sind, aber eine unterschiedliche Entwicklung in den Veröffentlichungszahlen zwischen den Technologien zu verzeichnen ist.

Abbildung 4: Anzahl an Publikationen zum Thema Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Festkörperbatterie bezogen auf Deutschland.

Wie zuvor beschrieben, zeigt der Themenbereich der LIB einen nahezu linearen Zuwachs für die Publikationsanzahl (vgl. Abbildung 1). Mit Blick auf die NIB-Technologie ist ein etwas andere Entwicklung zu beobachten. Ab 2010 existieren bereits über 220 Publikationen zur NIB-Technologie und damit eine deutlich höhere Anzahl gegenüber den anderen beiden Technologiefeldern (FKB: 60, LIB: 95). Demnach kann abgeleitet werden, dass bis Mitte der 2010er Jahren die Erforschung der Natrium-Ionen-Technologie eher Fokusthema im Batteriebereich in Deutschland gewesen ist. Allerdings ist im Vergleich zu LIB bis 2019 nur eine leichte Zunahme der Publikationsanzahl zu erkennen, die anschließend in eine Art Plateau (2019-2023: Anzahl zwischen 350-360) verläuft. Somit hat sich der Forschungsschwerpunkt innerhalb von Deutschland ab 2015/2016 mehr auf die LIB-Technologie verlegt. Jedoch ist kein wesentlicher Rückgang in den Publikationszahlen für die NIB zu verzeichnen, sodass davon ausgegangen werden kann, dass die Forschungsaktivitäten im NIB-Themenbereich in einem vergleichbaren Umfang weiter vorangebracht werden. Für das Forschungsfeld der FKB ist eine ähnliche Entwicklung in den Publikationszahlen im Verglich zu der LIB zu beobachten. Jedoch sind die Publikationszahlen gegenüber den anderen beiden Technologien deutlich geringer.

Trotzdem hat sich die Anzahl an Veröffentlichungen von 2010 (60) bis 2023 (200) um den Faktor 3,3 erhöht. Bei genauerer Betrachtung kann bis 2018 eine stufenweise Erhöhung aller zwei bis drei Jahre für die Publikationsanzahl festgestellt werden (2010-2012: ca. 60 Publikationen, 2013-2014: ca. 85 Publikationen, 2015-2016: ca. 125 Publikationen, 2017-2018: ca. 145 Publikationen), was auf den damaligen frühen Entwicklungsstand der FKB-Technologie zurückgeführt werden kann. Dennoch wurde die FKB stetig weiterentwickelt, was sich in den zunehmenden Publikationszahlen widerspiegelt.

Abbildung 5: Anzahl an Publikationen zum Thema Lithium-Ionen-Batteriezellfertigung weltweit, in Bezug darauf in Europa (EU27) sowie in Deutschland.

Deutschland weist im weltweiten und europäischen Vergleich gemessen an der Publikationsaktivität eine erhöhte Produktivität beim Thema der Batterieforschung auf. Dies ist ein klarer Beleg dafür, dass die bisherige, hervorragende Forschungsförderung in Deutschland Früchte trägt. Diese Unterstützung hat maßgeblich dazu beigetragen, dass Deutschland nicht nur in der Anzahl an Veröffentlichungen, sondern auch in ihrer Qualität (gemessen an den jeweiligen Zitationsraten) ausgezeichnet abschneidet. Dadurch bietet Deutschland eine hervorragende Wissensbasis zur Ansiedlung forschungsintensiver Fertigungsindustrien. Es zeigt sich somit deutlich, dass es sich lohnt, die exquisite Forschung in Deutschland weiterhin zu unterstützen und auszubauen. Bemerkenswert ist, dass Deutschland in einem derart dynamischen und schnelllebigen Feld wie der Batterieforschung überproportional stark vertreten ist und darin eine führende Rolle einnimmt.

Hinsichtlich des Vergleichs der in den Forschungsarbeiten zu Batteriezellfertigung thematisierten Zelltechnologien zeigt Abbildung 6 eine recht gleichbleibende Verteilung der Anteile von etwa 60 % der Veröffentlichungen mit Fokus auf konventionellen Lithium-Ionen-Batterien und einer Aufteilung der verbleibenden 40 % auf die Zelltechnologien Festkörper-, Quasi-Festkörper- und Natrium-Ionen Batterien. Ausnahme in der zeitlichen Entwicklung bildet lediglich der Zuwachs von Forschungsarbeiten zur Natrium-Ionen Technologie, welcher in der Phase von 2013 bis 2018 um ca. 10 % ansteigt. In früheren Analysen wurde die Natrium-Ionen Technologie als Drop-In Technologie klassifiziert, welche also eine Nutzbarkeit bestehender Anlagentechnik der Zellfertigung für Lithium-Ionen-Batterien mit lediglich geringfügigen Abänderungen ermöglichen soll. Die Erprobung dessen steht jedoch, zumindest im Feld der Forschungslandschaft, noch weitgehend aus. Jüngste Popularität erlangte die Na-Ionen-Technologie in den letzten Jahren insbesondere durch die Ankündigung der Produktion einer ersten Zellgeneration von Na-Ionen Zellen des weltweit größten Zellherstellers CATL [12]. Mit Blick auf die hohe Ressourcenverfügbarkeit von natriumhaltigen Ausgangsmaterialien, sowie der damit verbundenen Kostenvorteile auf Zellebene, ist künftig mit einer Einsatzplanung in Low-Cost Anwendungen von Batteriezellen zu rechnen. Ein entsprechender künftiger Anstieg von insbesondere angewandter Forschungs- und Entwicklungsarbeit zur beschleunigten Industrialisierung ist wahrscheinlich.

Abbildung 6: Prozentuale Anteile der Anzahl an Publikationen zur Fertigung ausgewählter Batterietechnologien, weltweit.

Die Analyse der aus Deutschland stammenden Veröffentlichungen auf dem Feld der Batteriezellfertigung (s. Abbildung 7) legen ebenfalls einen klaren Untersuchungsfokus auf die Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien. Während der Anteil der alternativen Zelltechnologien jeweils in etwa eine Verdopplung von 2010 von jeweils unter 100 Veröffentlichungen pro Jahr auf ca. 200 zeigt, so ist bei den Li-Ionen-Batterien eine Vervielfachung von etwa 100 auf fast 500 jährlichen Publikationen zu verzeichnen.

Mitunter lässt sich dies hinsichtlich der starken Forschungsförderungen unterschiedlicher Bundesministerien für Projekte mit Prozessierungsfokus (wie etwa die Kompetenzcluster zu Batterieforschung vom BMBF) [13] erklären, die zu Mitte des vergangenen Jahrzehnts einen starken Zuwachs erlebt haben. Entsprechende alternative Zelltechnologien hatten mit Blick auf ihren jeweiligen technologischen Entwicklungsgrad bislang noch einen anderen Forschungsfokus. Dieser bezog sich bislang primär auf Fragestellungen der Funktionsfähigkeit von Batterien auf Zell- und Komponentenebene, als auf ihrer Prozessierung und skalierter Fertigung. Entsprechende frühere Arbeiten zu Technologie-Roadmaps untermalen diese zeitliche Einschätzung [14, 15], geben jedoch außerdem eine zeitliche Perspektive des künftigen Wandels von Forschungsschwerpunkten, stärker hin zur Entwicklung von Fertigungstechnologie der, z. B.
Festkörperzellen.

Abbildung 7: Anzahl an Publikationen zur Zellfertigung ausgewählter Batterietechnologien bezogen auf Deutschland.

Die Anzahl an Publikationen zum Thema Recycling von Lithium-Ionen-Batterien hat sich in den letzten Jahren sowohl weltweit, in Europa als auch in Deutschland rasant gesteigert. Aus Deutschland wurden bis 2018 nie mehr als zehn Publikationen pro Jahr veröffentlicht. In den letzten Jahren nimmt die Anzahl in Deutschland, aber auch global betrachtet, nun deutlich zu, was mit dem steigenden öffentlichen Interesse an Batterietechnologie und Elektromobilität korreliert.

Sowohl weltweit als auch in Europa und Deutschland wächst die Anzahl an Publikationen stark an (siehe dazu Abbildung 8 und 9 mit gestrichelt eingezeichneten exponentiellen Trendlinien). Weltweit wurden allein 2023 insgesamt 775 Publikationen zum Thema LIB-Recycling veröffentlicht. Knapp 80 % aller Publikationen stammen nicht aus Europa, das in den letzten Jahren mit 20-25 % dennoch im globalen Vergleich einen signifikanten Anteil hat. In Europa wiederum kommt mittlerweile fast jede dritte Publikation zum LIB-Recycling aus Deutschland.

Abbildung 8: Anzahl an Publikationen zum Thema Lithium-Ionen Batterierecycling weltweit, im Vergleich dazu Europa (EU27) und Deutschland. Exponentielle Trendrechnung dargestellt mit gestrichelter Linie.

Dort stieg die Anzahl um den Faktor 6 von 10 Publikationen im Jahr 2017 auf 58 Publikationen im Jahr 2023. Die deutsche Forschungsförderung, z. B. im Rahmen des greenBatt Forschungsclusters [7], bestärkt die wissenschaftlichen Aktivitäten in Deutschland und ermöglicht damit das Einbringen wissenschaftlicher Erkenntnisse in den Diskurs.

Abbildung 9: Anzahl an Publikationen zum Thema Lithium-Ionen–Batterierecycling in Deutschland, mit exponentieller Trendrechnung basierend auf Entwicklung der Vorjahrespublikationszahlen (gestrichelte Linie).

Beim Blick auf die zentralen Technologien und Prozesse, die das LIB-Recycling umfassen,[1] lassen sich Forschungsschwerpunkte in Deutschland sowie im europäischen Vergleich erkennen. Eine quantitative Analyse stellt nicht intrinsisch die Technologie- oder Marktreife der Forschung dar, unterscheidet also z. B. nicht zwischen der Forschung an unterschiedlichen Technologie-Reife-Graden von Verfahren oder einer Kostenanalyse/-optimierung, gibt jedoch einen Hinweis darauf, welche Prozessschritte des LIB-Recyclings in der Wissenschaft aktuell diskutiert werden.

Die europäischen Publikationen weisen seit 2017 einen relativ konstanten Anteil zu den metallurgischen Verfahren in der Anwendung beim LIB-Recycling auf (s. Abbildung 10). Dabei dominiert die Hydrometallurgie gegenüber der Pyrometallurgie als Prozesstechnologie den Themenschwerpunkt (Veröffentlichungen 2023 in EU27: 16 Pyromet. vs. 39 Hydromet.). Spannend ist die Entwicklung, dass der Anteil zum mechanischen Recycling abnimmt, wohingegen der Anteil zum direkten Recycling (z. B. aus Produktionsabfällen) in ähnlichem Verhältnis zunimmt.[2] Das Pretreatment – die zusammengefassten Aktivitäten von Sammlung, Transport, Deaktivierung und Demontage der Batteriepacks – war vor wenigen Jahren noch kein Thema im wissenschaftlichen Diskurs, findet nun aber vermehrt Einzug in der Wissenschaft, wenn auch absolut betrachtet auf niedrigem Niveau.

[1] Einen Überblick dazu finden Sie z. B. in der Studie Fraunhofer ISI (2021): Recycling von Lithium-Ionen Batterien, IMPULS Stiftung VDMA oder auf der Webseite des Fraunhofer IKTS.

[2] Das Direkte Recycling als vielversprechendes Recyclingverfahren, insbesondere für Kreisläufe in der Zellproduktion, wurde bereits in den Traweba Summary Briefings Q2-Q4 aufgegriffen.

Abbildung 10: Anteil der thematischen Schwerpunkte entlang des Li-Ionen-Batterierecyclings in Europa (2017-2023).

In Deutschland ist die Vorbehandlung bzw. das mechanische Verfahren – darunter fällt z.B. das Schreddern der Batterie-Packs oder die Trennung von Metallen, Kabelverbindungen und Kunststoffen – relativ betrachtet stärker im Fokus als in Europa. Abbildung 11 zeigt für Deutschland die absolute Anzahl von Publikationen zu einem Recyclingschwerpunkt. So liegt die Anzahl der Publikationen aus Deutschland im Bereich Pretreatment seit mehreren Jahren bei ca. der Hälfte der europäischen Publikationen (2023: 6 DE vs. 12 EU27). Auch das mechanische Recycling wird in Deutschland intensiv in der wissenschaftlichen Forschung betrachtet (2023 sind in DE 9 Publikationen direkt zuordenbar). Beim Blick auf die metallurgischen Verfahren zur Materialrückgewinnung und -aufbereitung oder dem noch eher jungen Direkten Recyclingverfahren liegt dieser Anteil seit 2021 bei ca. 20-30 % im europäischen Vergleich. In Deutschland als Hochlohnland, Land des Maschinenbaus und der Automatisierungstechnik liegen die Aktivitäten aktuell bei der Verbesserung der kostenintensiven Vorbehandlung im Rahmen einer automatisierten Demontage, um den Recyclingprozess insgesamt ökonomisch attraktiver zu machen.

Abbildung 11: Anzahl der Publikationen entlang der Schwerpunkte des Li-Ionen-Batterierecyclings in Deutschland.

Das Thema Re-X wird zwar in Industrie und Medien prominent diskutiert, findet jedoch in Deutschland keine besonders starke Berücksichtigung in der publizierenden Forschung (s. Abbildung 12). Re-X umfasst generell neben dem Reuse (Wiederverwendung) oder Repurpose (Umnutzung) in einem Second Life (Zweitleben) auch Aktivitäten im Bereich Repair, Refurbishment oder Remanufacturing (Reparatur, Aufarbeitung oder Wiederaufbereitung). Da das LIB-Recycling zuvor bereits separat betrachtet wird, findet es hier in der Re-X Terminologie für den Moment keinen Einzug, gleichwohl es offiziell ebenfalls ein Teil des Re-X Ansatzes ist.

Für die Publikationsanalyse wurden die genannten Begriffe und Aktivitäten, sogenannte R-Strategien, die die Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit adressieren, mit einer „OR“ Verknüpfung in den Such-String integriert. Europäisch oder global betrachtet steigt im Themengebiet des Re-X die Anzahl an Publikationen relativ stark an. Neben weltweit über 250 Publikationen zu Re-X in Verbindung mit Lithium-Ionen-Batterien im Jahr 2023 liegt die Anzahl in Europa (EU27) bei 59 und in Deutschland bei 17 (< 10 % im weltweiten Anteil). In Deutschland ist die Anzahl an Publikationen dazu seit 2017 relativ konstant geblieben, in Europa hat sich die Anzahl seit 2017 nahezu verdoppelt.

Abbildung 12: Anzahl der Publikationen zu „Re-X“ bei Lithium-Ionen-Batterien für EU27 und Deutschland.

In den letzten 20 Jahren sind die globalen Patentanmeldungen für Lithium-Ionen-Batterien von etwa 300 auf fast 4.000 pro Jahr gestiegen. Japan dominierte früher mit einem Anteil von etwa 50 %, jedoch sind die Anmeldungen auf etwa 1.000 pro Jahr stagnierend, wodurch der Anteil unter 30 % fiel. Andere Schlüsselakteure wie die USA, Südkorea und die EU27 + UK haben Anteile zwischen 10-15 %. China ist nun führend mit über 30 % der Anmeldungen. Rein materialbasierte Patentanwendungen scheinen nicht mehr der Haupttrend in der Forschung und Entwicklung zu sein. Neue Trends umfassen die Optimierung von Batteriezellen und Systemteilen (z. B. das Heizen und Kühlen oder die Gehäuseversiegelung), sowie der Fokus auf Nachhaltigkeitsaspekten neben der Steigerung der Leistungsfähigkeit von LIBs. Weltweit betrachtet weist Europa eine etwas geringere Dynamik bei den Anmeldungen auf. Hauptakteure bei Patentanmeldungen sind überwiegend chinesische Unternehmen wie CATL und Hunan Brunp. Weitere wichtige Anmelder sind LG Energy Solutions, Samsung SDI, und Panasonic. Europäische Akteure umfassen BMW, VW und BASF, Umicore, Northvolt und Varta, während auch amerikanische und kanadische Unternehmen beteiligt sind [15].

Die Anzahl an Patentveröffentlichungen im Jahr 2022 wurde mit dem Faktor 1,17 hochgerechnet, da bei der Patentrecherche noch keine bzw. nur teilweise Daten für die letzten Monate des Kalenderjahrs 2022 zur Verfügung stehen. Während Publikationen etwa 12 bis 18 Monate zwischen Einreichung bei einer Zeitschrift und ihrer Veröffentlichung bedürfen, liegen bei Patenten mindestens 18 bis zu 36 Monate zwischen Einreichung und der Patenterteilung (siehe dazu auch Deutsches Patent- und Markenamt [16]). Ein Vorteil einer kombinierten Analyse aus Publikationen und Patenten ist folglich der breitere Einblick in aktuelle Trends in der Batterieforschung aus Industrie und öffentlicher Forschung und die Möglichkeit einer frühzeitigen Ableitung wichtiger Implikationen für diverse Interessensgruppen (insbesondere KMUs und Neueinsteiger in die Batterieindustrie).

Für die quantitative Patentanalyse werden zunächst die Veröffentlichungen im Bereich der Batteriechemie und -komponenten untersucht. Gegenüber den Publikationen (vgl. Abbildung 1) ist im Themengebiet der LIB nur weltweit eine lineare Zunahme für die Publikationsanzahl zu beobachten (s. Abbildung 13). Dabei hat sich in den letzten vier Jahren weltweit die Anzahl an Patenten um den Faktor 1,6 (2018: ca. 2.350, 2022: ca. 3.740) erhöht. Die Patentzahlen der EU27 sowie von Deutschland sind zum einen deutlich geringer (2022: EU27 – ca. 10 %, Deutschland – ca. 5 %) und weisen zum anderen kleine Schwankungen in der Veröffentlichungsentwicklung auf. Somit ist auch hierbei davon auszugehen, dass der größte Anteil der Patente zum Themengebiet LIB in Asien und Amerika angemeldet wird.

Mit Blick auf die hauptsächlichen Komponenten einer LIB (Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator) können keine größeren Veränderungen in den einzelnen Forschungsgebieten innerhalb von Deutschland festgestellt werden (s. Abbildung 14). Wie schon bei den Publikationen beobachtet (vgl. Abbildung 3), sind auch bei den Patenten nur kleinere Trendänderungen zu erkennen, sodass in den letzten vier Jahren die Forschungsthemen der Kathode, Anode und Separator eine Zu- bzw. Abnahme in der Anzahl der Veröffentlichungen aufweisen.

Abbildung 13: Anzahl an Patenten zum Thema Lithium-Ionen-Batterie weltweit, in Bezug darauf in Europa (EU27) sowie in Deutschland.

Interessanterweise zeigt nur das Forschungsfeld des Elektrolyten einen kontinuierlichen Rückgang in der Patentanzahl (2018: 31 %, 2022: 24%), wodurch v. a. die Erforschung und Anwendung des Separators (2018: 27 %, 2022: 31 %) mehr in den Fokus gerückt ist. Dieser Trend deckt sich auch mit der Beobachtung für die Publikationszahlen. Somit kann festgehalten werden, dass die Entwicklungen im Patentwesen für die LIB-Technologie im Vergleich zu den Publikationen etwas dynamischer sind und es daher kein Schwerpunktthema innerhalb von Deutschland existiert.

Abbildung 14: Prozentale Anteile der Anzahl an Publikationen der wesentlichen LIB-Komponenten bezogen auf Deutschland.

Für den Vergleich der verschiedenen Technologiefelder sind in Abbildung 15 die Patentzahlen von FKB, NIB und LIB weltweit und in Abbildung 16 von Deutschland dargestellt.

Abbildung 15: Anzahl an Patenten zum Thema Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Festkörperbatterie weltweit.

Hierbei wird deutlich, dass in Deutschland nur ein sehr geringer Anteil an Patenten in alle drei Technologiefeldern entsteht (2022: LIB – ca. 5 %, NIB – ca. 4 %, FKB – ca. 2 %). Bei Betrachtung der einzelnen Technologien innerhalb von Deutschland fällt auf, dass die Patentzahlen im Bereich LIB eine schwankende Entwicklung zeigen (LIB: 2018 – 154 Patente, 2022 – 171 Patente), für die NIB-Technologie nur gering ansteigen (NIB: 2018 – 12 Patente, 2022 – 23 Patente) und im Bereich FKB sogar ein leichter Rückgang in der Anzahl zu beobachten ist (FKB: 2018 – 75 Patente, 2022 – 61 Patente). Daher kann abgeleitet werden, dass die Entwicklungen in Deutschland für die NIB- und FKB-Technologie mehr auf wissenschaftlichem Niveau, in Form von Publikationen, als auf anwendungsorientierter Ebene vorangetrieben werden.

Abbildung 16: Anzahl an Patenten zum Thema Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Festkörperbatterie, bezogen auf Deutschland.

Dagegen nehmen weltweit die Patentzahlen in allen drei Technologiefelder zu, sodass im letzten Jahr in den Themengebieten LIB ca. 3.700, FKB ca. 3.300 und NIB ca. 600 Patente veröffentlich wurden. Hierbei wird deutlich, dass für die angewandte Forschung mit Patentanmeldung der Themenschwerpunkt eindeutig mehr im Bereich der Festkörper- bzw. Li-Ionen-Batterietechnologie liegt.

Die Patentlandschaft, im spezifischen zu Fertigungstechnologien von Batterietechnologien wie Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien sowie Festkörper- und Quasi-Festkörperzellen, wird über den Zeitraum von 2018 bis 2022 in der Abbildung 17 dargestellt. Der Zeitraum wurde bis 2022 gewählt, da ein jeweils vollständiger Jahresdatensatz an Patenten bei der Erhebung präferiert wurde.

Abbildung 17: Anzahl an veröffentlichten Patenten zum Thema Lithium-Ionen-Batteriezellfertigung weltweit, in Europa (EU27) sowie in Deutschland.

Die geografische Verteilung der angemeldeten Patente zeigt ein ähnliches Bild wie die der Publikationen in Abbildung 5. So ist die weltweite Anzahl an Patenten für Prozessfertigungstechnologien der Lithium-Ionen-Batterien etwa 8-fach höher als die von in Europa angemeldeten Patenten. DE-Patente machen von diesen Patentanmeldungen dann nochmal in etwa die Hälfte aus. Bemerkenswert sind vielmehr die Anmeldezahlen von Patenten zur Fertigungstechnologien der Batterietechnologien im Vergleich.

Im Gegensatz zu der relativen Anzahl der Publikationen (Abbildung 6) sind insbesondere Anmeldungen zu Festkörper- und Quasi-Festkörperzellen nahezu auf Augenhöhe mit denen zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien. Dies steht im Einklang mit früheren Veröffentlichungen, die einen zeitlichen Versatz von Patenten und Publikationen im Rahmen von Innovationen offenlegen und auf eine Dominanz der, insbesondere durch asiatische Konzerne geführten, industriellen F&E-Arbeiten im Vergleich zu öffentlichen F&E-Arbeiten zur Weiterentwicklung von Batterietechnologien hinweisen [17]. Die vergleichsweise geringen Anmeldezahlen zu spezifisch auf Fertigungsinnovationen für Na-Ionen Zellen stützen die These, dass eher geringfügige Anpassungen an bestehender Anlagentechnik zur Umrüstung auf deren Fertigungsfähigkeit für Na-Ionen Zellen notwendig sind.

Abbildung 18: Anzahl an veröffentlichten Patenten weltweit zur Batteriezellfertigung von Li-Ionen-, Na-Ionen-, Festkörper- und Quasi-Festkörperbatterien.

Insgesamt signalisiert die Verteilung von Patentanmeldung von Li-Ionen- im Vergleich zu Festkörperzellen, dass sich die Industrialisierung von Festkörperzellen mittelfristig anbahnt und gibt Anlass zur Prognose, dass entsprechende Forschungsaktivitäten hin zu Skalierungsfragestellungen in den kommenden Jahren stärker nachgefragt werden.

Schaut man auf die absolute Anzahl, so werden jährlich im Bereich des LIB-Recyclings deutlich weniger Patente veröffentlich als Publikationen in Fachzeitschriften. Dennoch fand auch bei den Patentanmeldungen in den letzten Jahren ein starkes Wachstum statt. Im Jahr 2021 wurden weltweit 65 Patente registriert, die sich dem Thema LIB-Recycling widmen (s. Abbildung 19). Davon sind 16 in Europa zu verorten, wobei die Hälfte aus Deutschland kommt. Im Jahr 2022 steigt die Anzahl noch einmal deutlich an.

Auffallend ist, das weltweit betrachtet die absolute Anzahl an Patenten zum LIB-Recycling um den Faktor 2 größer ist als die kumulierte Anzahl an Patenten, die die klassischen Schwerpunkte entlang des LIB-Recyclingprozesses adressieren. Zum einen kann das an der Struktur von Patenten liegen, die beispielsweise ein neues Verfahren oder eine neue Technologie in den Bereich des Recyclings einführen und schützen sollen. Zum anderen werden Patente nicht zwingend auf einen konkreten Anwendungsfall übertragen und das LIB-Recycling stellt in diesem Fall eine Verortung des Patents dar, um einen möglichst breiten Schutz zu beanspruchen. Eine Studie von Arundel et al. weist darauf hin, dass in der Prozessindustrie generell seltener Innovationen patentiert werden [18]. In Europa sowie in Deutschland werden aktuell die meisten Patente in Richtung des mechanischen Recyclingprozesses adressiert oder greifen neue Technologien wie das Direkte Recycling auf.

Patentanmeldungen im Bereich LIB Re-X sind in Europa nahezu nicht vorhanden. Zwar findet das Thema starke Beachtung in Publikationen, jedoch insgesamt nicht bei Patentanmeldungen zum Schutz einer Erfindung. Möglich ist auch, dass Patente, die das Produktdesign für ein Repair, Refurbishment oder Remanufacturing aufgreifen, eher dem Anfang des Produktlebenszyklus zugeordnet werden und daher in der Abfrage nicht auftauchen. Das adressiert beispielsweise auch das in vorherigen Summary Briefings aufgegriffene Design-for-X oder Design-for-Recycling. Das Thema Reuse und Repurpose der LIB in einem Second Life ist allenfalls noch ein recht junges Themengebiet in der Wissenschaft und Forschung.

Abbildung 19: a) -c) Anzahl an veröffentlichten Patenten zum LIB Recycling nach Region (weltweilt, EU27, DE) und Technologieschwerpunkt entlang des Recyclingprozesses sowie d) Patente im Bereich Re-X.

Für eine bessere Einschätzung und Analyse der Publikations- und Patentspezialisierung jeweiliger Länder oder Regionen (hier: Fokus Deutschland) können Indikatoren zur relativen Spezialisierung berechnet werden. Mittels Revealed Patent Advantage (RPA, Patentspezialisierung) und Revealed Literature Advantage (RLA, Literaturspezialisierung) bietet sich die Möglichkeit, Schlüsse zu ziehen, in welchen Bereichen ein Land im Vergleich zu den weltweiten Publikationen respektive den weltweiten Patenten stark oder schwach vertreten ist. Die Berechnungsformel wurde aus [19, S.38ff.] adaptiert. Für die Aktivitäten zur Lithium-Ionen-Batterie und den Technologiebereichen LIB-Batteriekomponenten, LIB-Produktion sowie LIB-Recycling sind der RLA in Abbildung 20 und RPA nachfolgend in Abbildung 21 dargestellt.

Abbildung 20: Vereinfachte Revealed Technology Advantage Analyse für Publikationen (RLA) für das Technologiefeld der LIB.

Positive Werte bedeuten, dass der jeweilige Technologiebereich im Portfolio des Landes (hier: DE, EU, Rest der Welt=RoW) eine höhere Spezialisierung aufweist als im weltweiten Vergleich (hier: LIB gesamt) anzunehmen wäre. Negative Werte weisen auf unterdurchschnittliche Spezialisierungen hin. Werte um Null zeigen an, dass die Spezialisierung auf eine Technologie ähnlich ist wie die der LIB-Patente oder Publikationen als Benchmark weltweit. Extremwerte (etwa +/- 100) deuten in der Regel darauf hin, dass die absoluten Zahlen sehr niedrig sind und die Technologie als Teil des Länderportfolios mit Vorsicht zu behandeln ist. Dies ist z. B. bei den Patenten zu LIB-Recycling in Deutschland möglich, da in Deutschland kumuliert nur einige 100 Patente zu den drei Bereichen vorliegen.[1]

[1] Die Berechnung und Analyse hat nicht den Anspruch, einzelne Forschungs- oder Patentaktivitäten zu bewerten. Sie dient vielmehr der relativen Einordnung von Aktivitäten in Deutschland im Europäischen Vergleich. RoW inkludiert alle Länder außerhalb der EU und vernachlässigt damit die teilweise starke Spezialisierung insbesondere in Ostasien (China, Südkorea, Japan).

In allen drei Bereichen ist die akademische Forschung basierend auf Publikationen in Deutschland leicht positiv (vgl. Abbildung 20). Dies zeigt, dass die gesamte Wertschöpfungskette der Batterie in der deutschen akademischen Forschung in der jüngeren Vergangenheit intensiv diskutiert wird. Im Bereich der Produktion liegt das Niveau der Publikationen in den untersuchten Regionen nahe bei null. Deutschland hat hier also bspw. keine signifikant höhere Spezialisierung als Gesamteuropa. Im Vergleich mit den Patenten zur LIB-Produktion lässt sich jedoch die europäische und deutsche Industriestruktur erkennen, die sich in der Produktionstechnologie historisch auch stark an der Umsetzung (und somit an Patenten) orientiert. Dies impliziert eine schnellere Realisierung von Innovationen im Bereich LIB-Produktion und Recycling, mit einem stärkeren Fokus auf den Schutz der Rechte in Form von Patenten. Dies unterstreicht die industrie-nahe Forschung in Deutschland. Für den Zeitraum 2020-2023 zeigt die Literaturanalyse eine deutliche Spezialisierung in Richtung Recycling, was analog mit dem öffentlichen Fokus auf Nachhaltigkeit, Kreislaufwirtschaft und Rohstoffsicherheit in Europa übereinstimmt. Publikationen zu LIB-Komponenten waren im relativen Vergleich eher weniger spezifisch aus Deutschland und der EU.

Abbildung 21: Vereinfachte Revealed Technology Advantage Analyse für Patente (RPA) für das Technologiefeld der LIB.

Patentspezialisierung in DE und Europa sind hauptsächlich im anwendungsnahen Bereich der LIB-Produktion und LIB-Recycling zu finden. Das deckt sich auch mit „Produktionstechnologien“ als ein Aspekt von Schlüsseltechnologie in Deutschland [19]. Auch wenn die absoluten Zahlen teilweise sehr gering (siehe Kapitel Patentanalyse Batterie-Wertschöpfungskette) und daher die Ergebnisse nur gering belastbar sind, deckt sich dies mit den Aktivitäten deutscher Unternehmen. Beispiele sind Cylib, Tozero und Duesenfeld. Diese Unternehmen haben neue oder verbesserte Recyclingverfahren patentiert. Historisch betrachtet liegt in Deutschland der Fokus auch auf der (chemischen) Verfahrenstechnik und der Materialaufbereitung von Rohstoffen, z. B. aus dem Bergbau. Dieser Fokus scheint sich nun in Richtung LIB-Recycling weiterzuentwickeln. Im Bereich der LIB-Komponenten hat Deutschland keine außergewöhnlich hohe Spezialisierung in der Patentierung. Alternative Batterietechnologien wie Redox-Flow-Batterien und Lithium-Luft Batterien scheinen relativ betrachtet in stärkerem Fokus [14], sind in der Analyse hier aber nicht inkludiert

Anhand der quantitativen Publikations- sowie Revealed Literature Advantage Analyse lässt sich festhalten, dass Deutschland in einem dynamischen Feld wie der Batterieforschung durchaus eine Vorreiterrolle besitzt und in den verschiedenen Technologiebereichen die Weiterentwicklungen mit vorantreibt. Darüber hinaus stellt die Zusammenarbeit mit der Industrie eine wichtige Basis für den Stellenwert Deutschlands dar, indem der Transfer von wissenschaftlicher Kompetenz und Technologie in den jeweiligen Branchen eingebracht werden kann. Diese gute Position gegenüber den anderen Nationen ist auch ein Resultat der starken Förderungen der letzten Jahre, da bspw. durch die auslaufenden Batteriekompetenzclustern (AQuA, greenBatt, BattNutzung, ProCell) entscheidende Ergebnisse und Entwicklungen entstanden sind, was sich in den entsprechenden Veröffentlichungszahlen (s. Abbildung 1) widerspiegelt. Vielmehr haben die geförderten Projekte und Kompetenzcluster so einen wichtigen Mehrwert entlang der Batteriewertschöpfungskette generiert. Ein Auslaufen solcher Förderungen könnte in den nächsten Jahren zuerst zu einer nachgelagerten Stagnierung oder Abnahme an Publikationen führen. In den Folgejahren würde dann der Anschluss zur Spitzenposition und damit die Kompetenz für den Batterieforschungssektor verloren gehen, weswegen die weitere Förderung der Batterieforschung von Politik und Wirtschaft von elementarerer Wichtigkeit ist.

Zusammenfassend sind die Kernaussagen des Kapitels Publikationsanalyse Batterie-Wertschöpfungskette im Folgenden nochmal kurz aufgeführt:

1. Zunahme der LIB-Veröffentlichungen:
   In Deutschland stieg die Anzahl der Publikationen zur Lithium-Ionen-Batterietechnologie (LIB) stetig an, mit einem deutlichen Anstieg in den Jahren 2020 und 2021, bedingt durch die Corona-Pandemie und das Ende bestimmter Förderphasen.
2. Fokus auf Komponenten:
   Die deutsche Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Komponenten Anode, Kathode und Elektrolyt, wobei die Publikationen zu Separatoren und Elektrolyten in den letzten 10 Jahren zugenommen haben. Im Vergleich dazu ist Deutschland bei den Patentanmeldungen für Batteriekomponenten unterdurchschnittlich.
3. Bedeutung von Förderprogrammen:
   Der Anstieg der Publikationen in Deutschland ist teilweise auf die intensive Forschungstätigkeit in den Batteriekompetenzclustern wie ProZell, AQuA, greenBatt und BattNutzung zurückzuführen, die die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich signifikant unterstützt haben.
4. Alternative Technologien:
   Neben LIB werden auch alternative Batterietechnologien wie Natrium-Ionen-Batterien (NIB) und Festkörperbatterien (FKB) erforscht, wobei die Publikationszahlen für NIB bis 2019 nur leicht zunahmen und sich seitdem auf einem Plateau befinden.
5. Batteriezellfertigung:
   In Deutschland gibt es eine klare Fokussierung auf die Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien, wobei die Anzahl der Publikationen zu alternativen Zelltechnologien seit 2010 ebenfalls gestiegen ist, jedoch in geringerem Umfang.
6. Recycling und Nachhaltigkeit:
   Die Anzahl der Publikationen zum Thema Recycling von Lithium-Ionen-Batterien hat in Deutschland in den letzten Jahren stark zugenommen, insbesondere im Bereich der mechanischen Verfahren und der Vorbehandlung, um den Recyclingprozess ökonomisch attraktiver zu gestalten.

Die quantitativen Patent- sowie Revealed Patent Advantage Analyse zeigt ebenfalls, dass Deutschland ein starker Treiber für Europa am Weltmarkt ist, da in den letzten 3-5 Jahren die Hälfte der europaweiten Patente zu Li-Ionen-Batterien aus Deutschland veröffentlich wurden (vgl. Abbildung 17). Mögliche Ursachen hierfür liegen sowohl in der bisher starken deutschen Forschungsförderung als auch in der starken deutschen Automobilindustrie bzw. Expertise in erneuerbaren Energien (stationäre Speicher). Erstere unterstützt die Ausbildung von dringend notwendigen Nachwuchskräften, ebenso aber die Bildung und den Erhalt einer technologischen Gemeinschaft. Verschiedene Forschungs- und Industrieakteure treffen auf Konferenzen und Kongressen zusammen, knüpfen informelle Kontakte und/oder treffen sich gezielt, um Ergebnisse miteinander zu teilen. Somit kann der hohe Stellenwert Deutschlands mit Hilfe des Informations- und Technologietransfers zwischen Forschung und Industrie gewährleistet und sollte auch weiterhin durch Förderung aus Wirtschaft und Politik vorangebracht werden.

Zusammenfassend sind die Kernaussagen des Kapitels Patentanalyse Batterie-Wertschöpfungskette im Folgenden nochmal kurz aufgeführt:

1. Anstieg der Patentanmeldungen:
   Globale Patentanmeldungen für Lithium-Ionen-Batterien stiegen in den letzten 20 Jahren von etwa 300 auf fast 4.000 pro Jahr.
2. Führende Länder und Akteure bei Patentanmeldungen:
   China führt mit über 30 % der Patentanmeldungen, während Japans Anteil von 50 % auf unter 30 % fiel. Hauptakteure sind chinesische Unternehmen wie CATL, LG Energy Solutions und Samsung SDI. In Europa sind BMW, VW und BASF, Umicore, Northvolt und Varta wichtige Akteure.
3. Forschungstrends:
   Der Fokus hat sich von rein materialbasierten Anwendungen hin zur Optimierung von Batteriezellen und Systemteilen sowie Nachhaltigkeit und Leistungssteigerung verschoben.
4. Regionale Unterschiede:
   Europas Dynamik (inklusive Deutschland und der EU27) bei Patentanmeldungen ist im Vergleich zu weltweiten Aktivitäten geringer. Die europäischen Patentanmeldungen liegen bei nur ca. 10 % der weltweiten Zahlen, wobei Deutschland die Hälfte der europäischen bzw. 5 % der weltweiten Anmeldungen im Jahr 2022 stellt.
5. Komponentenforschung:
   Die Anzahl der deutschen Patente zu Kathoden, Anoden und Separatoren zeigt kleinere Änderungen, während die Patentanzahl für Elektrolyten kontinuierlich gesunken ist.
6. Schwerpunkte in der Batterieproduktion:
   Weltweit sind Patentanmeldungen zu Festkörper- und Quasi-Festkörperzellen fast auf Augenhöhe mit denen zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien, was auf eine bevorstehende Industrialisierung hinweist.
7. Recycling und Nachhaltigkeit:
   Die Hälfte der aus Europa stammenden Patente wurden in Deutschland angemeldet. Patentanmeldungen im Bereich Re-X sind in Europa nahezu nicht vorhanden, da entweder das Themengebiet Produktdesign nicht in der durchgeführten Abfrage auftaucht oder Second Life Anwendungen noch ein recht junges Themengebiet in der Wissenschaft und Forschung sind.

[1] Clarivate™, Scientific & Academic Research, Web of Science platform, zu finden unter https://clarivate.com/ (letzter Zugriff: 05.07.2024):
https://clarivate.com/products/scientific-and-academic-research/research-discovery-and-workflow-solutions/webofscience-platform/

[2] Clarivate™, Patent Intelligence, Derwent World Patents Index (WPI), zu finden unter https://clarivate.com/ (letzter Zugriff: 05.07.2024)
https://clarivate.com/products/ip-intelligence/ip-data-and-apis/derwent-world-patents-index/

[3] FIZ Karlsruhe – Leibniz Institute for Information Infrastructure, FIZ Karlsruhe – Representing CAS, WPINDEX, zu finden unter https://www.stn-international.com/ (letzter Zugriff: 05.07.2024):
https://www.stn-international.com/en/database-summary-sheets/wpindex

[4] Bundesministerium für Gesundheit, Coronavirus-Pandemie: Was geschah wann?, zu finden unter ttps://www.bundesgesundheitsministerium.de (letzter Zugriff: 05.07.2024):
https://www.bundesgesundheitsministerium.de/coronavirus/chronik-coronavirus

[5] Kompetenzcluster zur Batterieproduktion – ProZell, zu finden unter: https://prozell-cluster.de/ (letzter Zugriff: 05.07.2024):
https://prozell-cluster.de/

[6] Kompetenzcluster Analytik und Qualitätssicherung – AQuA, zu finden unter: https://www.aqua-cluster.de/ (letzter Zugriff: 05.07.2024):
https://www.aqua-cluster.de/de/

[7] Kompetenzcluster Recycling und Grüne Batterie – greenBatt, zu finden unter: https://www.greenbatt-cluster.de/ (letzter Zugriff: 05.07.2024):
https://www.greenbatt-cluster.de/de/

[8] Kompetenzcluster Batterienutzungskonzepte – BattNutzung, zu finden unter: https://www.battnutzung-cluster.de/ (letzter Zugriff: 05.07.2024):
https://www.battnutzung-cluster.de/de/

[9] Statista GmbH, Demographie, Anzahl der Einwohner in den Ländern Europas im Jahr 2023, zu finden unter: https://de.statista.com/ (letzter Zugriff: 05.07.2024)
https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1187610/umfrage/bevoelkerung-der-laender-europas/

[10] Statista GmbH, Ländergruppen & Organisationen, Statistiken zur Weltbevölkerung, zu finden unter: https://de.statista.com/ (letzter Zugriff: 05.07.2024)
https://de.statista.com/themen/75/weltbevoelkerung/#editorsPicks

[11] F. Duffner et al., J. Cleaner Prod. 2020, 264, 121428.

[12] CATL, CATL Unveils Its Latest Breakthrough Technology by Releasing Its First Generation of Sodium-ion Batteries, News, 29.07.2021, zu finden unter: https://www.catl.com/ (letzter Zugriff: 05.07.2024)
https://www.catl.com/en/news/665.html

[13] Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), BMBF-Dachkonzept Batterieforschung, 2023, zu finden unter: https://www.bmbf.de (letzter Zugriff: 05.07.2024)
https://www.bmbf.de/SharedDocs/Downloads/files/bmbf-dachkonzept-batterieforschung-2023.pdf?__blob=publicationFile&v=6

[14]  A. Stephan et al., Alternative Battery Technologies Roadmap 2030+, 2023, Fraunhofer-Institut für System und Innovationsforschung ISI, zu finden unter: https://www.isi.fraunhofer.de/ (letzter Zugriff: 05.07.2024)
https://doi.org/10.24406/publica-1342

[15] T. Hettesheimer et al., Lithium-Ion Battery Roadmap – Industrialization Perspectives toward 2030, 2023, Fraunhofer-Institut für System und Innovationsforschung ISI, zu finden unter: https://www.isi.fraunhofer.de/ (letzter Zugriff: 05.07.2024)
https://doi.org/10.24406/publica-2153

[16]  Deutsches Patent- und Markenamt, Patente – Eine Informationsbroschüre zum Patentschutz, 2017, zu finden unter: https://www.dpma.de/ (letzter Zugriff: 05.07.2024)
https://www.dpma.de/docs/dpma/veroeffentlichungen/2/bro_patente_dt.pdf

[17] N. Sick et al., J. Energy Storage 2021, 43, 103231. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103231

[18] A. Arundel et al., Res. Policy 1998, 27, 127-141.
https://doi.org/10.1016/S0048-7333(98)00033-X

[19]  H. Kroll et al. 2022. Schlüsseltechnologien, Studie zum deutschen Innovationssystem. Nr. 7-2022. Fraunhofer ISI, Hrsg. Expertenkommission Forschung und Innovation (EFI). https://www.e-fi.de/fileadmin/Assets/Studien/2022/StuDIS_07_2022.pdf