Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien konkurrieren um die Entwicklung billigerer Zellmaterialien

Heutige Elektrofahrzeuge werden mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, die Lithium, Kobalt, Mangan und hochwertiges Nickel benötigen, deren Preise in die Höhe geschossen sind.

US-amerikanische und europäische Startups liefern sich einen Wettlauf um die Entwicklung neuer Batterien unter Verwendung von zwei reichlich vorhandenen, billigen Materialien – Natrium und Schwefel –, die Chinas Batteriedominanz verringern, drohende Versorgungsengpässe lindern und zu Elektrofahrzeugen für den Massenmarkt führen könnten.

Heutige Elektrofahrzeuge werden mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben – meist aus Lithium, Kobalt, Mangan und hochwertigem Nickel, deren Preise in die Höhe geschossen sind.

Westliche Hersteller haben Schwierigkeiten, mit ihren asiatischen Konkurrenten mitzuhalten, und die Automobilhersteller gehen davon aus, dass etwa Mitte des Jahrzehnts Lieferengpässe die Automobilproduktion beeinträchtigen werden.

Die Elektrofahrzeuge der Zukunft – diejenigen, die nach 2025 auf den Markt kommen – könnten auf Natriumionen- oder Lithium-Schwefel-Batteriezellen umsteigen, die bis zu zwei Drittel billiger sein könnten als die heutigen Lithium-Ionen-Zellen.

Ihr Versprechen hängt jedoch von möglichen Durchbrüchen in der Elektrochemie durch Start-ups wie Theion mit Sitz in Berlin und Faradion mit Sitz in Großbritannien sowie Lyten in den USA ab.

Neuere Batteriechemien müssen noch mit Problemen bewältigt werden. Natriumionenbatterien speichern noch nicht ausreichend Energie, während Schwefelzellen schnell korrodieren und nicht lange halten.

Dennoch haben mehr als ein Dutzend Start-ups Investitionen in Millionenhöhe sowie staatliche Zuschüsse für die Entwicklung neuer Batterietypen eingeworben.

Derzeit dominiert China die Batterieproduktion, einschließlich der Gewinnung und Veredelung von Rohstoffen.

Benchmark Mineral Intelligence, ein in Großbritannien ansässiges Beratungsunternehmen, schätzt, dass China derzeit über 75 Prozent der weltweiten Kobaltraffinierungskapazität und 59 Prozent seiner Lithiumverarbeitungskapazität verfügt.

„Wir sind immer noch auf eine Materiallieferkette aus China angewiesen“, sagte James Quinn, Geschäftsführer des britischen Natriumionenbatterie-Startups Faradion, das mehr als eine Million US-Dollar an staatlichen Zuschüssen von Innovate UK erhielt, bevor es letztes Jahr vom indischen Mischkonzern Reliance gekauft wurde für 117 Millionen Dollar. „Wenn man sich die globalen geopolitischen Auswirkungen ansieht, ist es eine Herausforderung für die Energiesicherheit, die wirtschaftliche Sicherheit und die nationale Sicherheit.“

Auch asiatische Batteriegiganten arbeiten an neuen Chemikalien. Das chinesische Unternehmen CATL hat angekündigt, im Jahr 2023 mit der Produktion von Natriumionenzellen beginnen zu wollen. Das koreanische Unternehmen LG Energy Solution will bis 2025 mit der Produktion von Lithium-Schwefel-Zellen beginnen.

Das teuerste Element einer Elektrofahrzeugbatterie ist die Kathode, die bis zu einem Drittel der Kosten einer Batteriezelle ausmacht.

Heutzutage verwenden die meisten Batterien für Elektrofahrzeuge eine von zwei Arten von Kathoden: Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) oder Lithium-Eisenphosphat (LFP).

NCM-Kathoden können mehr Energie speichern, verwenden jedoch teure Materialien (Nickel, Kobalt). LFP-Kathoden speichern normalerweise nicht so viel Energie, sind aber sicherer und tendenziell kostengünstiger, da sie Materialien verwenden, die häufiger vorkommen.

Die Kosten für wichtige Kathodenmaterialien wie Nickel und Kobalt sind in den letzten zwei Jahren sprunghaft angestiegen.

Aus diesem Grund hoffen so viele Unternehmen, billigere, häufiger vorkommende Materialien wie Natrium und Schwefel zu ersetzen, wenn ihre technischen Einschränkungen überwunden werden können.

„Natriumionen haben definitiv einen Platz, insbesondere für stationäre Speicher und Low-End-Fahrzeuge in kostensensiblen Märkten wie China, Indien, Afrika und Südamerika“, sagt der Berater Prabhakar Patil, ein ehemaliger Geschäftsführer von LG Chem.

„Die Einführungskosten für Lithium-Schwefel dürften höher sein – auch wenn es das Potenzial hat, die niedrigsten Kosten zu haben – was Unterhaltungselektronik zur ersten Anwendung macht“, sagte Patil.

Das in Michigan ansässige Unternehmen Amandarry und das britische Startup AMTE Power entwickeln Natriumionenbatterien, die Natriumchlorid – im Wesentlichen Speisesalz – als Hauptbestandteil der Kathode verwenden. Sie benötigen kein Lithium, Kobalt oder Nickel – die drei teuersten Batteriebestandteile.

Jeff Pratt, Geschäftsführer des UK Battery Industrialistion Centre – einer staatlich finanzierten 130 Millionen Pfund (153 Millionen US-Dollar) teuren Fabrik, die ihre Produktionslinien an Startups vermietet, um Batteriechemie zu testen – sagte, er versuche, die Zellen eines Natriumionen-Startups in eine zu integrieren Der vollgepackte Produktionsplan ist von „strategischer Bedeutung“ für Großbritanniens Hoffnungen, bei der Entwicklung neuer, besserer Batterien an vorderster Front zu stehen.

Die US-Unternehmen Lyten und Conamix, Theion aus Deutschland und Morrow aus Norwegen entwickeln Lithium-Schwefel-Kathoden, die immer noch Lithium in kleineren Mengen benötigen, jedoch kein Nickel oder Kobalt.

Durch die Verwendung allgegenwärtiger Kathodenmaterialien – Schwefel wird häufig in Düngemitteln verwendet und ist daher billig wie Salz – könnten die Batteriekosten nach Angaben dieser Startups um bis zu zwei Drittel gesenkt werden, wodurch Elektrofahrzeuge möglicherweise auch über die Mittelschicht hinaus erschwinglich werden.

Aktuelle Batteriepakete für Elektrofahrzeuge kosten typischerweise zwischen 10.000 und 12.000 US-Dollar.

„Wenn wir die Ziele erreichen können, die wir mit einigen der größten Autohersteller der Welt festgelegt haben, dann sind wir auf dem Weg zum Rennen“, sagte Charlotte Hamilton, CEO von Conamix.

Die Batterie-Startups geben an, mit großen Autoherstellern zu sprechen, von denen einige aktiv neue Batterien testen, die noch vor Ende des Jahrzehnts in Massenmarkt-Elektrofahrzeugen auf der Straße sein könnten. Die Autokonzerne wollen sich ihre Optionen offen halten.

„Mit der Zeit werden weitere (Batterie-)Chemikalien zum Vorschein kommen“, sagte Linda Zhang, Chefingenieurin des elektrischen Pickups F150 Lightning von Ford. „Es wäre dumm, diese Chemie nicht auszunutzen.“

Auf dem Batterietag 2020 von Tesla sagte CEO Elon Musk, dass ein „dreistufiger Ansatz“ für Lithium-Ionen-Batterien mit unterschiedlichen Materialien erforderlich sei, um „wirklich erschwingliche“ Elektrofahrzeuge – hauptsächlich mit eisenbasierten LFP-Batteriezellen – sowie größere und mehr zu bauen leistungsstarke und teure Elektrofahrzeuge, die NCM- oder NCA-Zellen auf Nickelbasis mit Kobalt- oder Aluminium-Kathodenmaterial verwenden.

Batterieentwickler hoffen, dass sie das Angebot der Autoindustrie um Natriumionen- und Lithium-Schwefel-Batterien erweitern können.

Duncan Williams, Geschäftsführer des Beratungsunternehmens Nomura Greentech, sagte, die jüngsten Entdeckungen würden die Lücke bei Themen wie Energiedichte und Zyklenlebensdauer schließen, „so dass wir davon ausgehen, dass beide Alternativen in Zukunft Marktanteile erobern werden.“

Das in Michigan ansässige Unternehmen Amandarry produziert bereits Natriumionenzellen in seinem Werk in Haining, China, sodass diese Zellen nicht für Anreize nach dem US-amerikanischen Inflation Reduction Act in Frage kommen.

Das Unternehmen kündigte an, auch in Nordamerika ein Werk zu bauen.

Partnerin Amy Chen sagt, dass Amandarrys erste Transportanwendung wahrscheinlich elektrische Zweiräder sein werden.

Abgesehen von einem Kostenvorteil können die Batterien von Amandarry laut Chen sehr schnell aufgeladen werden – 80 Prozent in 15 Minuten.

Kevin Brundish, CEO von AMTE Power, sagte, das Unternehmen starte zunächst mit Batterien für stationäre Energiespeichersysteme, wie sie beispielsweise von Netzbetreibern verwendet werden, bei denen die Energiedichte weniger wichtig sei.

Quinn von Faradion sagte, dass die Batterien des Unternehmens auch bereits mit LFP-Zellen konkurrenzfähig seien und dass das Unternehmen ein Joint Venture zur Energiespeicherung mit dem Agrarriesen ICM Australia gegründet habe.

Quinn sagte, bei relativ geringem Maßstab dürften die Batterien von Faradion ein Drittel günstiger sein als eisenbasierte LFP-Batterien.

Er sagte, Faradion habe Gespräche mit „fast jedem großen Automobilunternehmen“ geführt.

„Innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre werden Sie (unsere Batterien) auf der Straße sehen.“

Schwefel sei eine „sehr harte Chemie“, die in Batterien zum Einsatz komme, sagt Celina Mikolajczak, Chief Battery Technical Officer beim kalifornischen Startup Lyten, das laut der Investment-Website PitchBook 47,5 Millionen US-Dollar von Investoren eingeworben hat.

Aber es sei „die Chemie der Zukunft, die Chemie, die Batterien zum Massenmarkt macht“, sagte sie.

Ulrich Ehmes, CEO von Theion – altgriechisch für Schwefel – sagt, das Problem mit Schwefel bestehe darin, dass er so ätzend sei, dass er eine Batterie nach 30 Ladungen zerstört.

Aber er sagte, das in Berlin ansässige Unternehmen, das von einer Handvoll Angel- und Privatinvestoren unterstützt wird, habe eine Methode zur Behandlung und Beschichtung einer Lithium-Schwefel-Elektrode entwickelt, die dafür sorgen soll, dass sie ein Elektrofahrzeugleben lang hält.

Theion geht davon aus, noch in diesem Jahr mit der Lieferung von Batterien zu beginnen, um Pumpen in kommerziellen Raketen während des Starts anzutreiben. Ehmes sagte, das Unternehmen plane, im Jahr 2024 mit dem Versand von Testzellen an Fahrzeughersteller zu beginnen, wobei die ersten Serienanwendungen für Elektrofahrzeuge etwa im Jahr 2027 erwartet werden.

Theion geht davon aus, dass seine Lithium-Schwefel-Kathoden dreimal mehr Energie speichern als Standard-NCM-Zellen, ultraschnell aufgeladen werden und die Kosten für Batteriezellen um zwei Drittel auf etwa 34 US-Dollar pro Kilowattstunde senken könnten.

„Es ist billig, hat eine hohe Energiedichte und scheint daher ein Kinderspiel zu sein“, sagte Ehmes.

Tony Harper, Direktor der Faraday Battery Challenge, dem Programm der britischen Regierung, das in die Förderung neuer Batterietechnologien investiert, sagte, die Automobilindustrie mache sich zunehmend Sorgen um die Versorgung mit Lithium, Kobalt, Mangan und Nickel, weshalb neue Chemikalien von entscheidender Bedeutung seien.

„Dies wird die Belastung einer unserer Meinung nach sehr, sehr schwierigen Situation ausgleichen“, sagte Harper.

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