Elektroauto gestern, heute, morgen: Teil 3

Hinter dem Begriff „Lithium-Ionen-Batterien“ verbergen sich verschiedenste Technologien.

Eines ist sicher – solange die Lithium-Ionen-Elektrochemie diesbezüglich unverändert bleibt. Keine andere elektrochemische Energiespeichertechnologie kann mit Lithium-Ionen konkurrieren. Der springende Punkt ist jedoch, dass es unterschiedliche Konstruktionen gibt, die unterschiedliche Materialien für Kathode, Anode und Elektrolyt verwenden, die jeweils unterschiedliche Vorteile in Bezug auf die Haltbarkeit (Anzahl der Lade- und Entladezyklen bis hin zu einer zulässigen Restkapazität für Elektrofahrzeuge) haben von 80%), spezifische Leistung kWh/kg, Preis Euro/kg oder Leistungsverhältnis.

Zurück in der Zeit

Die Möglichkeit, elektrochemische Prozesse im sog. Lithium-Ionen-Zellen entstehen durch die Trennung von Lithium-Protonen und -Elektronen vom Lithium-Übergang an der Kathode während des Ladevorgangs. Das Lithiumatom gibt leicht eines seiner drei Elektronen ab, ist aber aus dem gleichen Grund hochreaktiv und muss von Luft und Wasser isoliert werden. In der Spannungsquelle beginnen sich die Elektronen entlang ihres Stromkreises zu bewegen, und die Ionen werden zur Kohlenstoff-Lithium-Anode geleitet und beim Durchgang durch die Membran mit dieser verbunden. Während der Entladung tritt die umgekehrte Bewegung auf - die Ionen kehren zur Kathode zurück und die Elektronen passieren wiederum die externe elektrische Last. Durch schnelles Hochstromladen und vollständiges Entladen entstehen jedoch neue dauerhafte Verbindungen, die die Funktion des Akkus beeinträchtigen oder sogar stoppen. Die Idee hinter der Verwendung von Lithium als Teilchenspender beruht auf der Tatsache, dass es das leichteste Metall ist und unter den richtigen Bedingungen problemlos Protonen und Elektronen abgeben kann. Wissenschaftler verzichten jedoch schnell auf die Verwendung von reinem Lithium aufgrund seiner hohen Flüchtigkeit, seiner Fähigkeit, sich mit Luft zu verbinden, und aus Sicherheitsgründen.

Die erste Lithium-Ionen-Batterie wurde in den 1970er Jahren von Michael Whittingham entwickelt, der reines Lithium und Titansulfid als Elektroden verwendete. Diese Elektrochemie wird nicht mehr genutzt, bildet aber eigentlich den Grundstein für Lithium-Ionen-Batterien. In den 1970er Jahren demonstrierte Samar Basu die Fähigkeit, Lithiumionen aus Graphit zu absorbieren, doch aufgrund der damaligen Erfahrung zerstörten sich Batterien beim Laden und Entladen schnell selbst. In den 1980er Jahren begann die intensive Entwicklung, geeignete Lithiumverbindungen für die Kathode und Anode von Batterien zu finden, und der eigentliche Durchbruch gelang 1991.

NCA-, NCM-Lithiumzellen ... was bedeutet das wirklich?

Nach Experimenten mit verschiedenen Lithiumverbindungen im Jahr 1991 waren die Bemühungen der Wissenschaftler von Erfolg gekrönt – Sony begann mit der Massenproduktion von Lithium-Ionen-Akkus. Batterien dieses Typs haben derzeit die höchste Ausgangsleistung und Energiedichte und vor allem ein erhebliches Entwicklungspotenzial. Als Kathodenmaterial greifen Unternehmen je nach Batteriebedarf auf unterschiedliche Lithiumverbindungen zurück. Dies sind Lithium-Kobalt-Oxid (LCO), Verbindungen mit Nickel, Kobalt und Aluminium (NCA) oder mit Nickel, Kobalt und Mangan (NCM), Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), Lithium-Mangan-Spinell (LMS), Lithium-Titan-Oxid (LTO) und andere. Der Elektrolyt ist ein Gemisch aus Lithiumsalzen und organischen Lösungsmitteln und besonders wichtig für die „Mobilität“ von Lithium-Ionen, und der Separator, der durch seine Durchlässigkeit für Lithium-Ionen für die Verhinderung von Kurzschlüssen verantwortlich ist, ist meist Polyethylen oder Polypropylen.

Ausgangsleistung, Kapazität oder beides

Die wichtigsten Eigenschaften von Batterien sind spezifische Energie, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Derzeit produzierte Batterien decken ein breites Spektrum dieser Qualitäten ab und haben je nach verwendeten Materialien einen spezifischen Energiebereich von 100 bis 265 W/kg (und eine Energiedichte von 400 bis 700 W/L). Die besten in dieser Hinsicht sind die NCA-Batterien und die schlechtesten LFPs. Allerdings ist das Material die eine Seite der Medaille. Um sowohl die spezifische Energie als auch die Energiedichte zu erhöhen, werden verschiedene Nanostrukturen eingesetzt, die mehr Material absorbieren und für eine höhere Leitfähigkeit des Ionenflusses sorgen. Eine große Anzahl von Ionen, die in einer stabilen Verbindung und Leitfähigkeit „gespeichert“ sind, sind Voraussetzungen für eine schnellere Aufladung, und die Entwicklung ist in diese Richtungen gerichtet. Gleichzeitig muss die Auslegung der Batterie je nach Antriebsart das notwendige Verhältnis von Leistung zu Kapazität gewährleisten. Plug-in-Hybride müssen beispielsweise aus offensichtlichen Gründen ein viel höheres Leistungs-Kapazitäts-Verhältnis aufweisen. Aktuelle Entwicklungen konzentrieren sich auf NCA-Batterien (LiNiCoAlO2 mit Kathode und Graphitanode) und NMC 811-Batterien (LiNiMnCoO2 mit Kathode und Graphitanode). Erstere enthalten (außer Lithium) etwa 80 % Nickel, 15 % Kobalt und 5 % Aluminium und haben eine spezifische Energie von 200–250 W/kg, was bedeutet, dass sie einen relativ begrenzten Verbrauch an kritischem Kobalt haben und eine Lebensdauer von bis zu 1500 % haben 2020 Zyklen. Solche Batterien werden Tesla in seiner Gigafactory in Nevada produzieren. Wenn die geplante volle Kapazität erreicht ist (je nach Situation im Jahr 2021 oder 35), wird die Anlage 500 GWh Batterien produzieren, genug, um 000 Fahrzeuge anzutreiben. Dadurch werden die Kosten für Batterien weiter gesenkt.

NMC 811-Batterien haben eine etwas niedrigere spezifische Energie (140-200 W/kg), haben aber eine längere Lebensdauer, erreichen 2000 Vollzyklen und bestehen zu 80 % aus Nickel, 10 % Mangan und 10 % Kobalt. Derzeit verwenden alle Batteriehersteller einen dieser beiden Typen. Einzige Ausnahme ist das chinesische Unternehmen BYD, das LFP-Batterien herstellt. Damit ausgestattete Autos sind schwerer, brauchen aber kein Kobalt. NCA-Batterien werden aufgrund ihrer jeweiligen Vorteile in Bezug auf Energiedichte und Leistungsdichte für Elektrofahrzeuge und NMC für Plug-in-Hybride bevorzugt. Beispiele sind der elektrische e-Golf mit einem Leistungsverhältnis von 2,8 und der Plug-in-Hybrid Golf GTE mit einem Verhältnis von 8,5. Im Namen der Preissenkung will VW für alle Batterietypen die gleichen Zellen verwenden. Und noch etwas - je größer die Kapazität des Akkus ist, desto geringer ist die Anzahl der vollständigen Entladungen und Aufladungen, und dies erhöht somit seine Lebensdauer - je größer der Akku, desto besser. Das zweite betrifft Hybriden als Problem.

Markt-Trends

Bereits heute übersteigt die Nachfrage nach Batterien für Transportzwecke die Nachfrage nach elektronischen Produkten. Es wird immer noch prognostiziert, dass bis 2020 weltweit 1,5 Millionen Elektrofahrzeuge pro Jahr verkauft werden, was dazu beitragen wird, die Kosten für Batterien zu senken. Im Jahr 2010 lag der Preis für 1 kWh einer Lithium-Ionen-Zelle bei etwa 900 Euro, jetzt sind es weniger als 200 Euro. 25 % der Kosten der gesamten Batterie entfallen auf die Kathode, 8 % auf Anode, Separator und Elektrolyt, 16 % auf alle anderen Batteriezellen und 35 % auf das gesamte Batteriedesign. Anders ausgedrückt tragen Lithium-Ionen-Zellen 65 Prozent zu den Kosten einer Batterie bei. Die geschätzten Tesla-Preise für 2020, wenn die Gigafactory 1 in Betrieb geht, liegen bei etwa 300 €/kWh für NCA-Batterien, und der Preis beinhaltet das fertige Produkt mit einer durchschnittlichen Mehrwertsteuer und Garantie. Immer noch ein ziemlich hoher Preis, der im Laufe der Zeit weiter sinken wird.

Die größten Lithiumreserven befinden sich in Argentinien, Bolivien, Chile, China, den USA, Australien, Kanada, Russland, dem Kongo und Serbien, wobei der Großteil derzeit in ausgetrockneten Seen abgebaut wird. Mit der Anhäufung von immer mehr Batterien wird der Markt für recycelte Materialien aus Altbatterien wachsen. Wichtiger ist jedoch das Problem von Kobalt, das zwar in großen Mengen vorhanden ist, aber als Nebenprodukt bei der Produktion von Nickel und Kupfer abgebaut wird. Der Abbau von Kobalt erfolgt trotz seiner geringen Konzentration im Boden im Kongo (der über die größten verfügbaren Reserven verfügt), allerdings unter Bedingungen, die Ethik, Moral und Umweltschutz in Frage stellen.

Fortschrittliche Technologie

Dabei ist zu bedenken, dass es sich bei den als Zukunftsperspektive angenommenen Technologien nicht um grundsätzlich neue Technologien handelt, sondern um Lithium-Ionen-Varianten. Dabei handelt es sich beispielsweise um Festkörperbatterien, die anstelle einer Flüssigkeit einen festen Elektrolyten (bzw. ein Gel bei Lithium-Polymer-Batterien) verwenden. Diese Lösung sorgt für eine stabilere Gestaltung der Elektroden, die beim Laden mit hohem Strom ihre Integrität beeinträchtigt. hohe Temperatur und hohe Belastung. Dadurch können Ladestrom, Elektrodendichte und Kapazität erhöht werden. Festkörperbatterien befinden sich noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium und werden voraussichtlich nicht vor Mitte des Jahrzehnts in die Massenproduktion gehen.

Eines der preisgekrönten Startups beim BMW Innovation Technology Competition 2017 in Amsterdam war ein batteriebetriebenes Unternehmen, dessen Siliziumanode eine höhere Energiedichte ermöglicht. Ingenieure arbeiten an verschiedenen Nanotechnologien, um sowohl das Anoden- als auch das Kathodenmaterial dichter und fester zu machen. Eine Lösung ist die Verwendung von Graphen. Diese mikroskopisch kleinen Graphitschichten mit einer Dicke von einem Atom und einer hexagonalen Atomstruktur gehören zu den vielversprechendsten Materialien. Die vom Batteriezellenhersteller Samsung SDI entwickelten „Graphenkugeln“, die in die Kathoden- und Anodenstruktur integriert sind, sorgen für eine höhere Festigkeit, Permeabilität und Materialdichte und eine entsprechende Kapazitätssteigerung um etwa 45 % und eine fünfmal kürzere Ladezeit. Diese Technologien können am stärksten werden Boost. von Formel-E-Autos, die möglicherweise die ersten sind, die mit solchen Batterien ausgestattet sind.

Spieler in dieser Phase

Hauptakteure als Tier-123- und Tier-2020-Lieferanten, also Zellen- und Batteriehersteller, sind Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa und Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam und SK Innovation), China (BYD Company) . , ATL und Lishen) und den USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel und Valence Technology). Die Hauptanbieter von Mobiltelefonen sind derzeit LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (China) und CATL (China), die einen Marktanteil von zwei Dritteln haben. Gegenwärtig werden sie in Europa nur von der BMZ Group aus Deutschland und Northvolth aus Schweden bekämpft. Mit dem Start von Teslas Gigafactory im Jahr XNUMX wird sich dieser Anteil ändern – auf das amerikanische Unternehmen werden XNUMX % der weltweiten Produktion von Lithium-Ionen-Zellen entfallen. Unternehmen wie Daimler und BMW haben bereits Verträge mit einigen dieser Unternehmen unterzeichnet, wie etwa CATL, das ein Werk in Europa baut.