Ein GlobalData-Leitfaden zu konkurrierenden EV-Antriebstechnologien
Batterien sind die Ölfässer des 21. Jahrhunderts
Im letzten Jahrzehnt hat die Batterieindustrie weit genug Fortschritte gemacht, um tragbare Unterhaltungselektronik, das mobile Internet, die ersten Elektroautos und die erste Einführung der intermittierenden Speicherung und Erzeugung erneuerbarer Energien zu ermöglichen. Da die Energiespeicherung bei der Bekämpfung des Klimawandels eine immer wichtigere und wachsende Rolle spielt, wird sie in den nächsten zehn Jahren zu einem der bedeutendsten Wirtschaftszweige der Welt werden.
Wird es genügend Batterien geben?
Da Regierungen weltweit ernsthaft mit der Dekarbonisierung ihrer Volkswirtschaften beginnen, wird die Nachfrage nach billigen, sicheren, leistungsstarken, langlebigen und kohlenstoffarmen Batterien stark ansteigen, vor allem seitens der Automobilindustrie.
Folglich wird es im nächsten Jahrzehnt zu Engpässen in der Lieferkette kommen. Der Mangel an kostengünstigen, leicht zu reinigenden Rohstoffen zur Versorgung der weltweit bestehenden und geplanten Batterie-Gigafabriken ist die größte Bedrohung für die Versorgungssicherheit. Darüber hinaus wird der Rückgang der Investitionen in wichtige Mineralminen – gepaart mit der wachsenden Bedeutung von Umwelt-, Sozial- und Governance-Faktoren (ESG) – die Entwicklung neuer Kapazitäten einschränken.
Bis 2025 wird es wahrscheinlich zu einem schwerwiegenden, aber vorübergehenden weltweiten Batteriemangel kommen, da die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) stark ansteigt und es an geförderten und raffinierten Batteriemetallen mangelt. Die Branche investiert jedoch stark, um zu verhindern, dass dies zu einer dauerhaften Bedrohung wird, indem sie den Einsatz knapper Materialien reduziert, neue Materialien und Batterietechnologien entwickelt und, was am wichtigsten ist, eine globale Batterierecyclingindustrie schafft.
Unterdessen ist Chinas Kontrolle über die gesamte globale Lieferkette, von Minen und Raffinerien bis hin zu Komponentenmarkierern und Zellherstellern, ein zunehmendes geopolitisches Problem. Die USA und Europa unternehmen bedeutende Schritte, um die Abhängigkeit von China innerhalb ihrer Batterielieferketten bis 2030 zu verringern. Beim Batterierecycling geht es sowohl um Geopolitik als auch um ökologische Nachhaltigkeit. Die zirkuläre Batteriewirtschaft wird für die Energiewende von entscheidender Bedeutung sein, und Nationen (und Unternehmen) müssen das inländische Recycling entwickeln, da die Mengen an Elektrofahrzeugen und am Ende ihrer Lebensdauer stark ansteigen.
Die Chemie – einige Grundprinzipien
Batterietechnologien umfassen viele Chemien, verschiedene Zelltypen und alternative Technologien.
Eine Batterie ist ein Behälter, der aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen besteht, in denen chemische Energie in Elektrizität umgewandelt wird. Sie werden als Energiequelle genutzt. Batterien sind entscheidende Förderer vieler anderer Technologien. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des modernen mobilen Lebensstils und der Massenproduktion von Elektrofahrzeugen (EVs). Batterie- und Energiespeichertechnologien werden für den Übergang zu erneuerbaren Energien von grundlegender Bedeutung sein.
Es gibt zwei Arten von Batteriezellen: Primärzellen und Sekundärzellen.
- Primärzellen erzeugen durch eine irreversible chemische Reaktion elektrischen Strom und werden als Einwegbatterien bezeichnet.
- Sekundärzellen erzeugen diesen elektrischen Strom durch eine reversible chemische Reaktion. Diese werden oft auch als wiederaufladbare Batterien oder Speicherzellen bezeichnet.
Eine Brennstoffzelle ist eine weitere Energiequelle, aber keine Batterie. Batterien erzeugen Energie mithilfe der bereits in ihnen enthaltenen Chemikalien. Im Gegensatz dazu nutzt eine Brennstoffzelle eine kontinuierliche, externe Zufuhr von durch sie fließendem Brennstoff als Quelle für Chemikalien zur Stromerzeugung. Brennstoffzellen werden in unbemannten Raumsonden, Autos und zur Notstromversorgung eingesetzt. Allerdings galten die verwendeten Brennstoffe – typischerweise Wasserstoff – als zu gefährlich für den Alltagsgebrauch.
Batterien wandeln chemische Energie in elektrische Energie um
Batterien speichern chemische Energie und wandeln sie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie um. Sie bestehen aus drei Hauptkomponenten: einer positiven Elektrode (Kathode), einer negativen Elektrode (Anode) und einem Elektrolyten. Die beiden Elektroden bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Die Elektroden sind durch einen Separator voneinander getrennt, der für bestimmte chemische Spezies semipermeabel ist, und die Batterie ist in einem Gehäuse untergebracht.
Wenn eine Batterie an einen Stromkreis angeschlossen wird, findet eine elektrochemische Reaktion statt. Elektronen fließen von der Anode durch den Draht, um ein angeschlossenes Gerät mit Strom zu versorgen, und zur Kathode.
Jede Batteriezelle enthält eine begrenzte Menge an reaktivem Material. Irgendwann werden die elektrochemischen Prozesse innerhalb der Batterie aufhören, der negativen Elektrode Elektronen zuzuführen, und es hört auf, Strom zu fließen. Aus diesem Grund ist die in einer Batterie verfügbare Leistung begrenzt.
Aufladen
Sekundärbatterien können über eine externe Quelle wie Sonnenkollektoren, Windkraftanlagen, Autobremsen oder Netzstrom aufgeladen werden. Während des Aufladens laufen die elektrochemischen Reaktionen in umgekehrter Reihenfolge ab, wodurch die Zelle und ihre Komponenten nahezu in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden. Phänomene wie Batterieverhärtung und Dendritenbildung verhindern jedoch, dass Batterien unendlich oft aufgeladen werden können. Dendriten können zu gefährlichen Kurzschlüssen führen. Keramikseparatoren werden jedoch entwickelt, um dieses Problem zu lindern.
Lithium-Ionen (Li-Ion) ist die vorherrschende Batterietechnologie für vernetzte Geräte (z. B. Laptops und Smartphones), Elektrofahrzeuge (EVs) und die Speicherung erneuerbarer Energien im Haushalt. In all diesen Anwendungsfällen ist Sicherheit von größter Bedeutung. Li-Ion gewinnt in diesen Bereichen aufgrund seiner Sicherheit. Da die Nachfrage nach kleineren, leistungsstärkeren Batterien mit längerer Lebensdauer wächst, versuchen Forscher aktiv, die Probleme von Kurzschlüssen und Überhitzung zu lösen, die zu gefährlichen Bränden und Explosionen führen können.
Li-Ionen-Zellen speichern bei gegebenem Gewicht mehr Energie (Energiedichte)
Li-Ionen-Zellen können bei gegebenem Gewicht und Volumen mehr Energie speichern als Blei-Säure- oder NiMH-basierte Batterien und ermöglichen ein schnelleres Auf- und Entladen. Diese Eigenschaften machen sie ideal für die Energiespeicherung in Elektrofahrzeugen, bei denen es auf eine hohe Energiedichte in einem leichten Paket ankommt.
Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) sind ein weiterer Batterietyp, der in der heutigen tragbaren Elektronik verwendet wird. LFPs haben eine geringere Energiedichte als Li-Ionen-Batterien, daher sind letztere die typische Wahl für stromhungrige Elektronikgeräte, die Batterien stark entladen. Allerdings halten LFPs hohen Temperaturen bei minimaler Verschlechterung stand und eignen sich für Objekte, die vor dem Aufladen längere Zeit laufen müssen. Darüber hinaus haben LFP-Batterien in der Regel eine längere Lebensdauer als Li-Ionen-Batterien. Das heißt, sie können mehrmals geladen und entladen werden. Einer der größten Vorteile von LFPs gegenüber Li-Ionen-Batterien ist wohl die Sicherheit. Durch die verbesserte thermische und chemische Stabilität bleiben LFPs auch bei heißen Temperaturen kühl und sind nicht brennbar (fangen sich nicht in Brand), wenn sie während des Schnellladens oder -entladens oder während eines Kurzschlusses falsch gehandhabt werden.
Es werden auch fortschrittliche Batteriechemien entwickelt, die möglicherweise Vorteile gegenüber kommerziell erhältlichen Batterien bieten.
Zu den Leistungsvorteilen gehören ein geringeres Gewicht, eine höhere Energiedichte, eine größere Temperaturtoleranz, ein verlängerter Lebenszyklus und eine verbesserte Sicherheit. Beispielsweise kann der flüssige Elektrolyt in Li-Ionen-Batterien extrem flüchtig werden, wenn er der Außenluft ausgesetzt wird, etwa bei einem Unfall oder einem Versagen der Zellstruktur. Brände von Lithiumbatterien sind besonders heftig und schwer zu löschen, da sie oft mehrere Tage lang vollständig in Wasser eingetaucht werden müssen, um vollständig inaktiv zu werden. Es gibt keine Hinweise darauf, dass Brände von Elektrofahrzeugen häufiger auftreten als Brände von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor – statistisch gesehen könnten sie sogar weniger wahrscheinlich sein.
Dennoch müssen die Hersteller von Elektrofahrzeugen der Öffentlichkeit versichern, dass ihre Fahrzeuge sicher sind. Samsungs katastrophale Markteinführung des Galaxy Note 7, eines von Li-Ionen-Akkubränden geplagten Smartphones, hat die potenziellen Gefahren dieser Batteriechemie ins Licht der Öffentlichkeit gerückt – ein Fehler, den die Hersteller von Elektrofahrzeugen nicht wiederholen wollen.
Festkörperbatterien sind die zweitbeste Option
Festkörperzellen nutzen im Allgemeinen die gleiche chemische Reaktion auf Lithium-Ionen-Basis zum Speichern und Entladen von Energie wie herkömmliche Zellen. Der Unterschied liegt im Elektrolyten, der zur Trennung von Anode und Kathode verwendet wird. Herkömmliche Zellen verwenden einen flüssigkeitsbasierten Elektrolyten – üblicherweise ein in einem organischen Lösungsmittel suspendiertes Lithiumsalz –, während Festkörperzellen diesen durch einen hauchdünnen Festelektrolyten ersetzen, der normalerweise entweder aus Keramik, Polymer oder Glas besteht.
Das Entfernen des flüssigen Elektrolyten bringt viele potenzielle Vorteile mit sich. Festkörperzellen sind leichter und kompakter als ihre flüssigkeitsbasierten Gegenstücke, was bedeutet, dass das Packungsgewicht reduziert oder die Energiekapazität erhöht werden kann. Sie sollen resistenter gegen die Bildung von Lithiumdendriten sein, was die Leistungsentladungsleistung verbessert, die potenzielle Ladegeschwindigkeit erhöht und gleichzeitig die Lebensdauer des Akkupacks verlängert. Sobald die Massenproduktion erreicht ist, dürften sie außerdem dank des Verzichts auf industrielle Lösungsmittel einfacher und schneller herzustellen sein als herkömmliche Li-Ionen-Zellen.
Noch deutlichere Vorteile bieten Festkörperzellen im Bereich der Batteriesicherheit. Brände, die durch defekte oder beschädigte Lithium-Ionen-Zellen verursacht werden, sind weithin bekannt (z. B. Chevrolet Bolt und seine von LG stammenden Batterien). In vielen Fällen entstehen diese Brände, weil ein interner Fehler oder ein äußerer Schaden dazu geführt hat, dass der flüchtige Lithiumelektrolyt der Außenluft ausgesetzt wurde, wodurch er sich entzündete und eine Kettenreaktion auslöste, die den gesamten Batteriesatz zerstören kann. Festelektrolyte umgehen diese Probleme vollständig und sind äußerst feuer- und explosionssicher – selbst im Falle einer Beschädigung oder eines Aufpralls.
Obwohl sie viele theoretische Vorteile bieten, hat noch kein Unternehmen die Fähigkeit nachgewiesen, Festkörperzellen für leichte Fahrzeuge in Massenproduktion herzustellen, und die meisten befinden sich noch im Prüfstandsstadium. Es müssen noch einige Probleme gelöst werden, darunter die Gestaltung des Festelektrolyten und der Elektroden so, dass sie über ihre gesamte Oberfläche gleichmäßig miteinander verbunden sind, da durch jede Verformung Lücken entstehen können, die die Zelleffizienz beeinträchtigen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Materialstabilität ein Problem darstellt, da die Sprödigkeit des Elektrolyten zu mikroskopischen Brüchen führt, die die Zellleistung einschränken.
Blue Solutions, eine Tochtergesellschaft des französischen Unternehmens Bolloré, hat einen Auftrag zur Lieferung seiner Festkörperzellen für den Stadtgelenkbus eCitaro G von Daimler erhalten – der erste aufgezeichnete kommerzielle Liefervertrag für diese Technologie. Allerdings muss das optionale Solid-State-Pack bewusst auf eine relativ hohe Betriebstemperatur zwischen 50 °C und 80 °C erhitzt werden, was zu einem gewissen Reichweitenverlust führt und es für den Einsatz in leichten Fahrzeugen mit ihrem unvorhersehbaren Nutzungsverhalten ungeeignet macht.
Brennstoffzellen (Wasserstoff) – eine langfristige Wette
Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) erzeugen an Bord Strom, indem sie Kraftstoff – normalerweise Wasserstoff – durch eine Brennstoffzellenmembran oxidieren, wobei der einzige Ausstoß Wasser ist. Diese Energie kann direkt an den Elektromotor gesendet oder zur späteren Verwendung in einer separaten Batterie gespeichert werden. FCEVs können ähnlich wie Verbrennungsfahrzeuge schnell „aufgetankt“ werden, indem der Tank mit Wasserstoff aufgefüllt wird, wodurch die lange Aufladezeit entfällt, die bei BEVs erforderlich ist. Der Vorstoß in Richtung Wasserstoff wird teilweise auch durch seine potenzielle Rolle als Teil einer Kreislaufwirtschaft im Energiebereich vorangetrieben. Dabei wird erneuerbare Wind- oder Wasserkraft genutzt, um Wasserstoff aus Meerwasser zu spalten. Der Wasserstoff dient dann als Speicher für die von diesen Quellen erzeugte Energie außerhalb der Spitzenzeiten.
Obwohl FCEVs viele potenzielle Vorteile bieten, muss die Technologie verfeinert werden, bevor sie mit BEVs konkurrieren kann. Die Kosten für die Erzeugung von Wasserstoff sind derzeit höher als die Kosten für die Herstellung von Benzin, was das Nachfüllen teuer macht. Darüber hinaus muss die Infrastruktur zur Unterstützung von FCEVs noch aufgebaut werden, während die Ladenetze für Elektrofahrzeuge bereits schnell wachsen.
FCEVs können für schwere Nutzfahrzeuge und Nutzfahrzeuge von größtem Wert sein. Batterien sind schwer und eignen sich daher nicht gut für Lkw mit großer Reichweite, da das bloße Gewicht der benötigten Batterien zu viel potenzielle Ladekapazität verbrauchen würde. Die vorhersehbaren Routen, die Langstrecken-Lkw zurücklegen, erfordern auch weniger Wasserstofftankstellen, um effektiv eingesetzt zu werden.
Im Wesentlichen werden FCEVs in der Branche langfristig als wahrscheinliche Zukunftsrichtung für den Transport angesehen – ihre Anwendungen werden höchstwahrscheinlich zunächst in schweren Nutzfahrzeugen neben geschlossenen Ladestationsnetzen eingesetzt.
Quelle aus Nur Auto
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