Ohne fortschrittliche Akkus keine E-Autos oder Pufferspeicher im Stromnetz: 2023 könnte für die Technik ein entscheidendes Jahr werden.
Die Welt setzt zunehmend auf Energie aus Akkus. Im Jahr 2022 überschritt der Anteil der Elektrofahrzeuge an den weltweiten Autoverkäufen 10 Prozent, bis Ende des Jahrzehnts sollen es 30 Prozent sein. Und Maßnahmen der Politik auf der ganzen Welt werden dieses Wachstum nur noch beschleunigen: Die jüngste Klimagesetzgebung in den USA pumpt beispielsweise Milliarden in die Batterieherstellung und in Anreize für den Kauf von E-Fahrzeugen. Und die Europäische Union sowie mehrere US-Bundesstaaten wollen Verbrenner bereits im nächsten Jahrzehnt verbieten.
Die meisten Elektrofahrzeuge werden heute mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, einer bereits jahrzehntealten Technologie, die bekanntermaßen auch in Laptops und Mobiltelefonen zum Einsatz kommt. Die Jahre der Entwicklung haben dazu beigetragen, die Preise zu senken und die technische Leistung zu erhöhen, so dass heutige E-Autos langsam am Preisniveau von Verbrennern kratzen – und Hunderte von Kilometern zwischen zwei Aufladungen zurücklegen können. Lithium-Ionen-Batterien finden auch neue Anwendungen. Sie stecken immer häufiger in Zwischenspeichern für das Stromnetz, die helfen sollen, die schwankenden Strommengen der Erneuerbaren wie Wind und Sonne auszugleichen.
Doch es gibt noch viel Raum für Verbesserungen. Sowohl Universitätslabore als auch Unternehmen suchen nach Möglichkeiten, Akkutechnologie zu verbessern – Kapazitäten zu erhöhen, Ladezeiten zu verkürzen und Kosten (weiter) zu senken. Doch gleichzeitig treibt die Sorge um die Verfügbarkeit wichtiger Batteriematerialien wie Kobalt und Lithium die Suche nach Alternativen zur Standard-Lithium-Ionen-Batteriechemie voran. 2023 könnte hierbei ein entscheidendes Jahr werden.
Die Neuerfindung der Batterie
Ein Bereich, den man in diesem Jahr im Auge behalten sollte, sind die sogenannten Festkörperbatterien. Lithium-Ionen-Batterien und chemisch verwandte Systeme verwenden ein flüssiges Elektrolytmaterial. Festkörperbatterien sollen mehr Energie auf kleinerem Raum speichern, was die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen würde. Auch sind im Idealfall die Ladezeiten geringer und die Brandgefahr verringert sich.
Festkörperbatterien können zudem eine breite Palette von Batteriematerialien verwenden. Ein führender Kandidat für die Kommerzialisierung ist Lithiummetall. Quantumscape zum Beispiel konzentriert sich auf diese Technik und hat schon vor seinem Börsengang im Jahr 2020 Hunderte Millionen US-Dollar an Investitionsmitteln eingeworben. Das Unternehmen hat einen Vertrag mit Volkswagen geschlossen, der den Einsatz seiner Batterien in Autos bis 2025 ermöglicht.
Die Neuerfindung der Batterie ist allerdings schwierig. Bei Lithium-Metall-Batterien gibt es etwa Bedenken beim Verschleiß und Problemen bei der Herstellung. Doch Ende Dezember gab Quantumscape bekannt, dass es erste Muster an Partner in der Automobilindustrie zu Testzwecken geliefert hat – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Einführung von Festkörperbatterien in Autos. Andere Anbieter von Festkörperbatterien wie etwa Solid Power arbeiten ebenfalls an der Entwicklung und wollen bald erste Tests durchführen.
Natrium statt Lithium
Festkörperbatterien sind nicht die einzige neue Akkutechnologie, auf die man in diesem Jahr achten sollte. Natrium-Ionen-Batterien gelten als weitere Alternative. Diese Batterien sind ähnlich aufgebaut wie Lithium-Ionen-Batterien, einschließlich eines flüssigen Elektrolyts, doch statt Lithium verwenden sie Natrium als Hauptbestandteil. Der chinesische Batteriegigant CATL will Berichten zufolge im Jahr 2023 bereits mit der Massenproduktion dieser Batterien beginnen.
Natrium-Ionen-Batterien sind zwar nicht grundsätzlich leistungsfähiger, könnten aber Kosten senken, da sie auf billigere und besser verfügbare Materialien zurückgreifen als Lithium-Ionen-Batterien. Es ist jedoch nicht klar, ob diese Batterien die aktuellen Anforderungen an die Reichweite und die Ladezeit von Elektrofahrzeugen erfüllen können. Deshalb zielen mehrere Unternehmen, die sich um diese Technologie bemühen – darunter das US-amerikanische Unternehmen Natron –, zunächst auf weniger anspruchsvolle Anwendungen ab, etwa stationäre Akkuspeicher oder E-Bikes und Motorroller.
Eine Frage der Speicherung
Laut Yayoi Sekine, Leiterin des Bereichs Energiespeichertechnik beim Energieanalyseunternehmen BloombergNEF, ist der Markt für Batterien zur Pufferspeicherung im Netz derzeit noch klein – etwa ein Zehntel der Größe des Marktes für E-Auto-Akkus. Die Nachfrage nach Stromspeichern wächst jedoch mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien – eben weil die schwankende Leistung ausgeglichen werden muss und, um grundlastähnliche Verhältnisse zu schaffen.
Umbau bei der Standardtechnik
Lithium-Ionen-Batterien sind nicht ideal für stationäre Pufferspeicher, auch wenn sie heute häufig dafür verwendet werden. Während die Batterien für Elektrofahrzeuge immer kompakter, leichter und bei der Aufladung schneller werden, geht es bei der stationären Speicherung in erster Linie darum, die Kosten gering zu halten. Größe und Gewicht spielen eine weniger große Rolle, was bedeutet, dass sich wahrscheinlich andere Akkugrundstoffe durchsetzen werden.
Dazu gehört beispielsweise Eisen – und gleich zwei Akteure könnten im neuen Jahr hier wichtige Fortschritte machen. Form Energy entwickelt etwa eine Eisen-Luft-Batterie, die Elektrolytmaterial auf Wasserbasis verwendet und Energie grundsätzlich durch einen umkehrbaren Rostprozess speichert. Das Unternehmen kündigte kürzlich eine 760 Millionen Dollar teure Produktionsanlage in Weirton, West Virginia, an. Deren Bau ist für 2023 geplant. Konkurrent ESS baut eine zweite Variante der Eisenbatterie, die eine ähnliche Batteriechemie verwendet. Hier ging die Produktion in der Zentrale in Oregon bereits los.
Ein Teil der Motivation, die Unternehmen dazu veranlasst, an der Batteriechemie zu schrauben, ergibt sich aus der Preisvolatilität der Grundstoffe. "Es ist eine Kostenfrage", sagt Analystin Sekine. Die Kathoden sind in der Regel eines der teuersten Teile einer Batterie. Bei Elektroautos wird hier meist NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) verwendet. Doch diese drei Elemente sind neben Lithium sehr teuer, so dass eine Reduzierung einiger oder aller dieser Stoffe zu einer Kostensenkung beitragen könnte.
LFP statt NMC
In diesem Jahr könnte eine Alternative ihren Durchbruch erleben: Lithiumeisenphosphat (LFP), ein kostengünstiges Kathodenmaterial, das bereits für einige Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Jüngste Verbesserungen in der Chemie und Herstellung von LFP haben dazu beigetragen, die Leistung dieser Batterien zu steigern. Und der Marktanteil von LFP-Batterien wächst schnell, von etwa 10 Prozent des weltweiten Marktes für Elektrofahrzeuge im Jahr 2018 auf etwa 40 Prozent im Jahr 2022. Tesla verwendet bereits LFP-Batterien in einigen Fahrzeugen – und Autohersteller wie Ford und Volkswagen haben angekündigt, dass sie einige Elektroauto-Modelle ebenfalls mit dieser Technologie anbieten wollen.
Obwohl sich die Akkuforschung in der Regel auf die Kathodenchemie konzentriert, sind auch die Anoden ins Blickfeld geraten. Die meisten Anoden in Lithium-Ionen-Batterien verwenden heute unabhängig von ihrer Kathodenzusammensetzung Graphit. Alternativen wie Silizium könnten jedoch dazu beitragen, die Energiedichte zu erhöhen und den Ladevorgang zu beschleunigen.
An Siliziumanoden wird seit Jahren geforscht, aber bisher war ihre Lebensdauer nicht lang genug, um kommerziell eingesetzt zu werden. Nun aber beginnen Unternehmen, die Produktion dieser Materialien auszuweiten. Im Jahr 2021 begann das Start-up Sila mit der Produktion von Siliziumanoden für Batterien in tragbaren Fitnessgeräten. Vor kurzem erhielt das Unternehmen einen Zuschuss des US-Energieministeriums in Höhe von 100 Millionen Dollar für den Bau einer Produktionsanlage in Moses Lake, Washington. Die Fabrik soll ab 2025 Materialien für Elektroauto-Batterien herstellen. Partner ist Mercedes-Benz. Andere Start-ups arbeiten daran, Silizium und Graphit für Anoden zu kombinieren. OneD Battery Sciences, das eine Partnerschaft mit dem Autokonzern GM eingegangen ist, will genauso kommerzialisieren wie Sionic Energy.
Wachsendes Interesse an Batterie-Recycling
Das Ende 2022 verabschiedete US-Anti-Inflationsgesetz (Inflation Reduction Act) stellte fast 370 Milliarden Dollar für die Förderung des Klimaschutzes und sauberer Energieträger bereit, darunter Milliarden für die Herstellung von Elektrofahrzeugen und Batterien. "Jeder hat das Gesetz im Kopf", sagt Yet-Ming Chiang, Materialforscher am MIT und Gründer mehrerer Batterieunternehmen.
Darüber wird den Batterieherstellern in den USA eine größere Menge an Darlehen und Zuschüssen gewährt, um die Kapazitäten zu erhöhen. Darüber hinaus bieten die im Gesetz vorgesehenen Steuergutschriften für Elektrofahrzeuge den Autoherstellern Anreize, Batteriematerialien in den USA oder bei ihren Freihandelspartnern zu beziehen und die Akkus dann in Nordamerika zu fertigen. Das Gesetz wurde so gefasst, dass Produktionskapazitäten auch für Elektroautos in den USA geschaffen werden müssen – inklusive der Suche nach neuen Batteriematerialien.
All das bedeutet, dass die Nachfrage nach den wichtigsten Bestandteilen von Lithium-Ionen-Batterien – einschließlich Lithium, Kobalt und Nickel – immer weiter steigen wird. Ein mögliches Ergebnis der US-Förderung ist ein wachsendes Interesse am Batterie-Recycling. Es könnte ausgleichend wirken und kommt langsam in Schwung.
Geldflut für die Energiewende
CATL und andere chinesische Unternehmen sind führend im Batterie-Recycling, aber die Branche könnte in diesem Jahr auch in anderen wichtigen Märkten für Elektrofahrzeuge wie Nordamerika und Europa ein erhebliches Wachstum verzeichnen. Das in Nevada ansässige Unternehmen Redwood Materials und das in Toronto ansässige Unternehmen Li-Cycle bauen dafür notwendige Anlagen und arbeiten daran, wichtige Batteriemetalle wie Lithium und Nickel zu trennen und zu reinigen, damit sie in Batterien wiederverwendet werden können.
Li-Cycle wird seine bislang wichtigste Recycling-Anlage voraussichtlich 2023 in Betrieb nehmen. Redwood Materials hat mit der Herstellung seines ersten Produkts, einer Kupferfolie aus Recycling-Material, in seiner Anlage außerhalb von Reno, Nevada, begonnen – und kürzlich Pläne für den Bau einer zweiten Anlage in Charleston, South Carolina, bekannt gegeben. Sie wird noch 2023 in Betrieb gehen.
Mit dem Geld der US-Regierung und anderen politischen Maßnahmen auf der ganzen Welt wird die Nachfrage nach E-Fahrzeugen und Batterien weiter befeuert – auch wenn es aufgrund der Energiekrise in Europa Rückschläge gibt. 2023 könnte hier weitere Durchbrüche bringen.
Quelle; heise
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Die Welt setzt zunehmend auf Energie aus Akkus. Im Jahr 2022 überschritt der Anteil der Elektrofahrzeuge an den weltweiten Autoverkäufen 10 Prozent, bis Ende des Jahrzehnts sollen es 30 Prozent sein. Und Maßnahmen der Politik auf der ganzen Welt werden dieses Wachstum nur noch beschleunigen: Die jüngste Klimagesetzgebung in den USA pumpt beispielsweise Milliarden in die Batterieherstellung und in Anreize für den Kauf von E-Fahrzeugen. Und die Europäische Union sowie mehrere US-Bundesstaaten wollen Verbrenner bereits im nächsten Jahrzehnt verbieten.
Die meisten Elektrofahrzeuge werden heute mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, einer bereits jahrzehntealten Technologie, die bekanntermaßen auch in Laptops und Mobiltelefonen zum Einsatz kommt. Die Jahre der Entwicklung haben dazu beigetragen, die Preise zu senken und die technische Leistung zu erhöhen, so dass heutige E-Autos langsam am Preisniveau von Verbrennern kratzen – und Hunderte von Kilometern zwischen zwei Aufladungen zurücklegen können. Lithium-Ionen-Batterien finden auch neue Anwendungen. Sie stecken immer häufiger in Zwischenspeichern für das Stromnetz, die helfen sollen, die schwankenden Strommengen der Erneuerbaren wie Wind und Sonne auszugleichen.
Doch es gibt noch viel Raum für Verbesserungen. Sowohl Universitätslabore als auch Unternehmen suchen nach Möglichkeiten, Akkutechnologie zu verbessern – Kapazitäten zu erhöhen, Ladezeiten zu verkürzen und Kosten (weiter) zu senken. Doch gleichzeitig treibt die Sorge um die Verfügbarkeit wichtiger Batteriematerialien wie Kobalt und Lithium die Suche nach Alternativen zur Standard-Lithium-Ionen-Batteriechemie voran. 2023 könnte hierbei ein entscheidendes Jahr werden.
Die Neuerfindung der Batterie
Ein Bereich, den man in diesem Jahr im Auge behalten sollte, sind die sogenannten Festkörperbatterien. Lithium-Ionen-Batterien und chemisch verwandte Systeme verwenden ein flüssiges Elektrolytmaterial. Festkörperbatterien sollen mehr Energie auf kleinerem Raum speichern, was die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen würde. Auch sind im Idealfall die Ladezeiten geringer und die Brandgefahr verringert sich.
Festkörperbatterien können zudem eine breite Palette von Batteriematerialien verwenden. Ein führender Kandidat für die Kommerzialisierung ist Lithiummetall. Quantumscape zum Beispiel konzentriert sich auf diese Technik und hat schon vor seinem Börsengang im Jahr 2020 Hunderte Millionen US-Dollar an Investitionsmitteln eingeworben. Das Unternehmen hat einen Vertrag mit Volkswagen geschlossen, der den Einsatz seiner Batterien in Autos bis 2025 ermöglicht.
Die Neuerfindung der Batterie ist allerdings schwierig. Bei Lithium-Metall-Batterien gibt es etwa Bedenken beim Verschleiß und Problemen bei der Herstellung. Doch Ende Dezember gab Quantumscape bekannt, dass es erste Muster an Partner in der Automobilindustrie zu Testzwecken geliefert hat – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Einführung von Festkörperbatterien in Autos. Andere Anbieter von Festkörperbatterien wie etwa Solid Power arbeiten ebenfalls an der Entwicklung und wollen bald erste Tests durchführen.
Natrium statt Lithium
Festkörperbatterien sind nicht die einzige neue Akkutechnologie, auf die man in diesem Jahr achten sollte. Natrium-Ionen-Batterien gelten als weitere Alternative. Diese Batterien sind ähnlich aufgebaut wie Lithium-Ionen-Batterien, einschließlich eines flüssigen Elektrolyts, doch statt Lithium verwenden sie Natrium als Hauptbestandteil. Der chinesische Batteriegigant CATL will Berichten zufolge im Jahr 2023 bereits mit der Massenproduktion dieser Batterien beginnen.
Natrium-Ionen-Batterien sind zwar nicht grundsätzlich leistungsfähiger, könnten aber Kosten senken, da sie auf billigere und besser verfügbare Materialien zurückgreifen als Lithium-Ionen-Batterien. Es ist jedoch nicht klar, ob diese Batterien die aktuellen Anforderungen an die Reichweite und die Ladezeit von Elektrofahrzeugen erfüllen können. Deshalb zielen mehrere Unternehmen, die sich um diese Technologie bemühen – darunter das US-amerikanische Unternehmen Natron –, zunächst auf weniger anspruchsvolle Anwendungen ab, etwa stationäre Akkuspeicher oder E-Bikes und Motorroller.
Eine Frage der Speicherung
Laut Yayoi Sekine, Leiterin des Bereichs Energiespeichertechnik beim Energieanalyseunternehmen BloombergNEF, ist der Markt für Batterien zur Pufferspeicherung im Netz derzeit noch klein – etwa ein Zehntel der Größe des Marktes für E-Auto-Akkus. Die Nachfrage nach Stromspeichern wächst jedoch mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien – eben weil die schwankende Leistung ausgeglichen werden muss und, um grundlastähnliche Verhältnisse zu schaffen.
Umbau bei der Standardtechnik
Lithium-Ionen-Batterien sind nicht ideal für stationäre Pufferspeicher, auch wenn sie heute häufig dafür verwendet werden. Während die Batterien für Elektrofahrzeuge immer kompakter, leichter und bei der Aufladung schneller werden, geht es bei der stationären Speicherung in erster Linie darum, die Kosten gering zu halten. Größe und Gewicht spielen eine weniger große Rolle, was bedeutet, dass sich wahrscheinlich andere Akkugrundstoffe durchsetzen werden.
Dazu gehört beispielsweise Eisen – und gleich zwei Akteure könnten im neuen Jahr hier wichtige Fortschritte machen. Form Energy entwickelt etwa eine Eisen-Luft-Batterie, die Elektrolytmaterial auf Wasserbasis verwendet und Energie grundsätzlich durch einen umkehrbaren Rostprozess speichert. Das Unternehmen kündigte kürzlich eine 760 Millionen Dollar teure Produktionsanlage in Weirton, West Virginia, an. Deren Bau ist für 2023 geplant. Konkurrent ESS baut eine zweite Variante der Eisenbatterie, die eine ähnliche Batteriechemie verwendet. Hier ging die Produktion in der Zentrale in Oregon bereits los.
Ein Teil der Motivation, die Unternehmen dazu veranlasst, an der Batteriechemie zu schrauben, ergibt sich aus der Preisvolatilität der Grundstoffe. "Es ist eine Kostenfrage", sagt Analystin Sekine. Die Kathoden sind in der Regel eines der teuersten Teile einer Batterie. Bei Elektroautos wird hier meist NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) verwendet. Doch diese drei Elemente sind neben Lithium sehr teuer, so dass eine Reduzierung einiger oder aller dieser Stoffe zu einer Kostensenkung beitragen könnte.
LFP statt NMC
In diesem Jahr könnte eine Alternative ihren Durchbruch erleben: Lithiumeisenphosphat (LFP), ein kostengünstiges Kathodenmaterial, das bereits für einige Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Jüngste Verbesserungen in der Chemie und Herstellung von LFP haben dazu beigetragen, die Leistung dieser Batterien zu steigern. Und der Marktanteil von LFP-Batterien wächst schnell, von etwa 10 Prozent des weltweiten Marktes für Elektrofahrzeuge im Jahr 2018 auf etwa 40 Prozent im Jahr 2022. Tesla verwendet bereits LFP-Batterien in einigen Fahrzeugen – und Autohersteller wie Ford und Volkswagen haben angekündigt, dass sie einige Elektroauto-Modelle ebenfalls mit dieser Technologie anbieten wollen.
Obwohl sich die Akkuforschung in der Regel auf die Kathodenchemie konzentriert, sind auch die Anoden ins Blickfeld geraten. Die meisten Anoden in Lithium-Ionen-Batterien verwenden heute unabhängig von ihrer Kathodenzusammensetzung Graphit. Alternativen wie Silizium könnten jedoch dazu beitragen, die Energiedichte zu erhöhen und den Ladevorgang zu beschleunigen.
An Siliziumanoden wird seit Jahren geforscht, aber bisher war ihre Lebensdauer nicht lang genug, um kommerziell eingesetzt zu werden. Nun aber beginnen Unternehmen, die Produktion dieser Materialien auszuweiten. Im Jahr 2021 begann das Start-up Sila mit der Produktion von Siliziumanoden für Batterien in tragbaren Fitnessgeräten. Vor kurzem erhielt das Unternehmen einen Zuschuss des US-Energieministeriums in Höhe von 100 Millionen Dollar für den Bau einer Produktionsanlage in Moses Lake, Washington. Die Fabrik soll ab 2025 Materialien für Elektroauto-Batterien herstellen. Partner ist Mercedes-Benz. Andere Start-ups arbeiten daran, Silizium und Graphit für Anoden zu kombinieren. OneD Battery Sciences, das eine Partnerschaft mit dem Autokonzern GM eingegangen ist, will genauso kommerzialisieren wie Sionic Energy.
Wachsendes Interesse an Batterie-Recycling
Das Ende 2022 verabschiedete US-Anti-Inflationsgesetz (Inflation Reduction Act) stellte fast 370 Milliarden Dollar für die Förderung des Klimaschutzes und sauberer Energieträger bereit, darunter Milliarden für die Herstellung von Elektrofahrzeugen und Batterien. "Jeder hat das Gesetz im Kopf", sagt Yet-Ming Chiang, Materialforscher am MIT und Gründer mehrerer Batterieunternehmen.
Darüber wird den Batterieherstellern in den USA eine größere Menge an Darlehen und Zuschüssen gewährt, um die Kapazitäten zu erhöhen. Darüber hinaus bieten die im Gesetz vorgesehenen Steuergutschriften für Elektrofahrzeuge den Autoherstellern Anreize, Batteriematerialien in den USA oder bei ihren Freihandelspartnern zu beziehen und die Akkus dann in Nordamerika zu fertigen. Das Gesetz wurde so gefasst, dass Produktionskapazitäten auch für Elektroautos in den USA geschaffen werden müssen – inklusive der Suche nach neuen Batteriematerialien.
All das bedeutet, dass die Nachfrage nach den wichtigsten Bestandteilen von Lithium-Ionen-Batterien – einschließlich Lithium, Kobalt und Nickel – immer weiter steigen wird. Ein mögliches Ergebnis der US-Förderung ist ein wachsendes Interesse am Batterie-Recycling. Es könnte ausgleichend wirken und kommt langsam in Schwung.
Geldflut für die Energiewende
CATL und andere chinesische Unternehmen sind führend im Batterie-Recycling, aber die Branche könnte in diesem Jahr auch in anderen wichtigen Märkten für Elektrofahrzeuge wie Nordamerika und Europa ein erhebliches Wachstum verzeichnen. Das in Nevada ansässige Unternehmen Redwood Materials und das in Toronto ansässige Unternehmen Li-Cycle bauen dafür notwendige Anlagen und arbeiten daran, wichtige Batteriemetalle wie Lithium und Nickel zu trennen und zu reinigen, damit sie in Batterien wiederverwendet werden können.
Li-Cycle wird seine bislang wichtigste Recycling-Anlage voraussichtlich 2023 in Betrieb nehmen. Redwood Materials hat mit der Herstellung seines ersten Produkts, einer Kupferfolie aus Recycling-Material, in seiner Anlage außerhalb von Reno, Nevada, begonnen – und kürzlich Pläne für den Bau einer zweiten Anlage in Charleston, South Carolina, bekannt gegeben. Sie wird noch 2023 in Betrieb gehen.
Mit dem Geld der US-Regierung und anderen politischen Maßnahmen auf der ganzen Welt wird die Nachfrage nach E-Fahrzeugen und Batterien weiter befeuert – auch wenn es aufgrund der Energiekrise in Europa Rückschläge gibt. 2023 könnte hier weitere Durchbrüche bringen.
Quelle; heise
