Die Wunschliste für Elektroautobatterien

Elektroautos gab es 2010 kaum, als das Tesla Model S noch ein Funke in Elon Musks Augen war. Mittlerweile gibt es laut BloombergNEF mehr als 20 Millionen Elektrofahrzeuge auf der ganzen Welt – und bis 2025 soll sich diese Zahl auf 77 Millionen fast vervierfachen. Eine Batterie wird das Hochspannungsherz jedes dieser 77 Millionen Elektrofahrzeuge sein, und zwar bei weitem auch ihrer teuerste Bauteil, was einen weltweiten Wettlauf um die ethische Beschaffung ihrer Materialien und die Steigerung der Produktion auslöst, um der explodierenden Nachfrage gerecht zu werden.

Laut JD Power könnten Elektrofahrzeuge im Jahr 2022 einen Rekordanteil von 5,8 Prozent des US-amerikanischen Marktes erobert haben und könnten sich in diesem Jahr 11 Prozent des Weltmarktes nähern. Doch Experten glauben immer noch, dass bessere Batterien und noch viel mehr davon der Schlüssel dazu sind, dass Elektrofahrzeuge einen Marktwendepunkt erreichen, auch wenn Reuters prognostiziert, dass Autohersteller bis 2030 satte 1,2 Billionen US-Dollar für die Entwicklung und Produktion von Elektrofahrzeugen ausgeben.

IEEE Spectrum hat fünf Branchenexperten gebeten, tief in ihre eigenen Kristallkugeln zu blicken und zu skizzieren, was im Bereich der Elektrofahrzeugbatterien passieren muss, um die Welt vom Transport mit fossilen Brennstoffen abzubringen und auf den Stecker umzustellen. Das haben sie gesagt:

Der Emporkömmling Lucid Motors hat nicht viele Autos gebaut, sich aber mit der rekordverdächtigen Reichweite der Air Grand Touring Performance-Limousine von 830 Kilometern einen guten Ruf erworben. Diese Reichweite ist ein Beweis für Lucids obsessives Streben nach Effizienz: Der Air verwendet die gleichen zylindrischen Zellen im 2170-Format (von Samsung SDI geliefert) wie viele Elektrofahrzeuge, legt aber durch überlegenes Batteriemanagement, kompakte, aber leistungsstarke Antriebseinheiten usw. mehr Kilometer zurück rutschige Aerodynamik.

Ein ausgefeiltes Gehäuse- und Batteriedesign erweckt „minderwertige“ Chemikalien zu neuem Leben – insbesondere Lithiumeisenphosphat, das in Batterien auf der ganzen Welt am heißesten ist –, die sonst nicht wettbewerbsfähig und veraltet wären.

Man könnte meinen, Lucid würde verlangen, dass jedes Elektromodell so große Distanzen zurücklegen kann. Stattdessen sehen die Führungskräfte von Lucid eine glänzende Zukunft in Autos, die durch kleinere, günstigere Batterien auf maximale Effizienz – und nicht auf Reichweite an sich – abzielen.

Das neueste Air Touring-Modell von Lucid ist gemessen an der Meile das bisher effizienteste. Mit einem Luftwiderstandsbeiwert von 0,197 ist der Air Touring mittlerweile das aerodynamischste Serienfahrzeug der Welt und erreicht mit jeder Kilowattstunde an Bord eine EPA-bewertete Reichweite von 7,44 Kilometern. Doch um dieses vollwertige Luxusschiff anzutreiben, ist immer noch eine 92-kWh-Batterie an Bord erforderlich.

Vor diesem Hintergrund entwickelt das Unternehmen seine nächste Batteriegeneration. Basierend auf den Zielen des Unternehmens könnte ein zukünftiger kompakter Lucid – denken Sie an die Größe eines Tesla Model 3 oder Model Y – seine Batterie deutlich verkleinern, ohne die Nutzreichweite zu beeinträchtigen.

„Unser Ziel ist es, die Effizienz noch weiter zu verbessern“, sagt Dlala.

„Wenn wir ein 250-Meilen-Auto fahren, könnten wir eine Batterie haben, die nur 40 kWh hat“, oder weniger als halb so groß wie die des Air. Das ist die gleiche Batteriegröße wie bei einem relativ kleinen Basismodell des Nissan Leaf, dessen geringere Effizienz sich in einer EPA-bewerteten Reichweite von nur 240 km niederschlägt.

Solche kompakten Batterien würden nicht nur Herstellern und Verbrauchern erhebliche Kosteneinsparungen bringen. Sie würden weniger Roh- und Raffineriematerialien erfordern, was es den Autoherstellern theoretisch ermöglichen würde, aus einem begrenzten Vorrat viel mehr Autos zu bauen. Dieses Paket würde auch etwa ein Drittel so viel wiegen wie Lucids derzeit stärkster Akku. Das Ergebnis wäre eine Reihe von Vorteilen, die das Herz des massenbewusstesten Ingenieurs erwärmen würden: ein leichteres Chassis zur Unterstützung der kleineren Batterie, schlankere Crashstrukturen, verkleinerte Bremsen. Mehr nutzbarer Raum für Passagiere und Fracht. All diese Einsparungen würden die Reichweite und Leistung weiter steigern.

Dieses großartige Design würde natürlich einen entsprechenden Entwicklungsschub für Ladegeräte erfordern. Sobald Ladegeräte so allgegenwärtig und zuverlässig sind wie Tankstellen – und beim Tanken fast so schnell sind – „dann brauche ich keine 400 Meilen Reichweite“, sagt Dlala.

All dies könnte den ultimativen, schwer fassbaren Wunsch der Hersteller von Elektrofahrzeugen erfüllen: Preisparität mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

„Diese Kombination aus Effizienz und Infrastruktur wird es uns ermöglichen, wettbewerbsfähige Preise im Vergleich zu Autos mit Verbrennungsmotor zu schaffen“, sagt Dlala.

Castilloux sagt, dass bahnbrechende Durchbrüche bei Elektrofahrzeugbatterien bisher selten waren. Dennoch stehen die Batterien von Elektrofahrzeugen immer noch im Mittelpunkt der Überlegungen der Automobilhersteller, da sie in einer Zeit explosionsartigen Wachstums eine nachhaltige, erschwingliche Versorgung anstreben. Auf einem Markt, der nach dem vermeintlichen Anteil an Kilowattstunden hungert, könnten vor allem kleinere oder weniger vernetzte Automobilhersteller hungern.

„Jeder konkurriert um ein begrenztes Angebot“, sagt Ryan Castilloux. „Das führt zu einem holprigen Wachstumskurs bei Elektrofahrzeugen. Es ist eine immense Herausforderung, die nicht verschwinden wird, bis sich das Wachstum verlangsamt und die Angebotsseite mithalten kann.“

„In den letzten Jahrzehnten hätte es keinen Sinn gemacht, daran zu denken, dass ein Autohersteller zu einem Verarbeitungs- oder Bergbauunternehmen werden würde, aber jetzt, da die Vorräte knapp sind, müssen sie drastische Maßnahmen ergreifen.“ – Ryan Castilloux, Adamas Intelligence

Eine Batterieindustrie, der es gelungen ist, den Nickelgehalt für eine bessere Leistung zu erhöhen und Kobalt zu reduzieren, um die Kosten zu senken, ist allein durch die Chemie auf eine Wand sinkender Erträge gestoßen. Damit stellt das Batteriepack-Design eine neue Grenze dar: Castilloux lobt den Vorstoß, „Aluminium und andere Zombie-Materialien“ zu eliminieren, um Gewicht und Platz zu sparen. Die Bemühungen zeigen sich in Innovationen wie großformatigen zylindrischen Batterien mit einem höheren Verhältnis von aktivem Material zu umgebenden Gehäusen – sowie in sogenannten „Cell-to-Pack“- oder „Pack-to-Frame“-Designs. Die kritischen „Neue-Klasse“-Elektrofahrzeuge von BMW, die ersten im Jahr 2025 auf den Markt kommen, sind nur ein Beispiel: Großformatige Zellen, die keine herkömmlichen Gehäusemodule erfordern, füllen eine gesamte offene Bodenplatte aus und dienen als aufprallsicheres Strukturelement.

„Das ist eine kostengünstige Möglichkeit, die Packungsdichte erheblich zu verbessern und die Kilometerleistung eines Fahrzeugs zu erhöhen“, sagt Castillloux.

Diese Art von ausgefeiltem Gehäuse- und Batteriedesign kann auch dazu beitragen, gleiche Wettbewerbsbedingungen zu schaffen und „minderwertigen“ Chemikalien neues Leben einzuhauchen – insbesondere Lithiumeisenphosphat, das in Batterien auf der ganzen Welt am heißesten ist –, die sonst nicht wettbewerbsfähig und veraltet wären.

„Die Dinge bewegen sich in Nordamerika und Europa in die richtige Richtung, aber im Moment ist es zu spät und der Westen kämpft gemeinsam darum, die Nachfrage zu befriedigen.“

Der Antriebsstrang und die Batterie eines Mercedes-Benz EQS-Elektrofahrzeugs am Montageband im Werk der Mercedes-Benz Group in Sindelfingen, Deutschland, am Montag, 13. Februar 2023. Krisztian Bocsi/Getty Images

Die Tragödie bestehe laut Castilloux darin, dass die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen schon seit mehreren Jahren erwartet wurde, „aber die Aktion kommt erst jetzt.“

„China war nur eines, das darauf reagiert hat, und ist nun dem Rest der Welt ein Jahrzehnt voraus“, sowohl bei der Veredelung und Verarbeitung von Batteriematerialien als auch bei der Zellproduktion selbst.

Tesla konnte sich auch von den alten Autoherstellern absetzen, indem es im Sinne der vertikalen Integration dachte, also der Notwendigkeit, die gesamte Lieferkette zu kontrollieren, von der Lithiumsole und den Kobaltminen bis hin zur Endproduktion und dem Recycling.

„In den letzten Jahrzehnten hätte es keinen Sinn gemacht, daran zu denken, dass sich ein Automobilhersteller zu einem Verarbeitungs- oder Bergbauunternehmen entwickeln würde, aber jetzt, da die Versorgung knapp ist, müssen sie drastische Maßnahmen ergreifen.“

Autohersteller bemühen sich darum, der steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen gerecht zu werden und gähnende Marktlücken zu schließen, einschließlich des Aufbaus einer eigenen Lieferkette für Batteriematerialien und Batterien. Allein in den Vereinigten Staaten beziffert Atlas Public Policy die angekündigten Investitionen in Elektrofahrzeug- und Batteriefabriken sowie Recycling auf 128 Milliarden US-Dollar. Das hinterlässt noch einen weiteren blinden Fleck: die Ladeinfrastruktur. Abgesehen von Teslas dominierenden Superchargern nennen viele Experten ein notorisch unzuverlässiges Ladenetzwerk als Flickenteppich als Haupthindernis für die breite Einführung von Elektrofahrzeugen.

„Die Ladeinfrastruktur steht auf unserer Wunschliste der Dinge, die verbessert werden müssen“, sagte Dan Nicholson, der die neuen Ladeinitiativen von General Motors leitet.

Das US-Infrastrukturgesetz von 2021 sieht 7,5 Milliarden US-Dollar für den Aufbau eines Netzwerks von 500.000 Ladegeräten für Elektrofahrzeuge bis 2030 vor. Doch anstatt wie Tesla eigene Ladegeräte zu besitzen und zu betreiben – ähnlich wie Autohersteller, die Ketten proprietärer Tankstellen betreiben – argumentieren GM, Ford und andere, dass dies standardisiert sei , sind Open-Source-Ladegeräte von entscheidender Bedeutung, um mehr Amerikaner davon zu überzeugen, die ICE-Gewohnheit aufzugeben. Diese Ladegeräte müssen überall dort verfügbar sein, wo Menschen leben und arbeiten, sagte Nicholson, und für Fahrer jeder Automarke zugänglich sein.

Es wäre hilfreich, wenn diese Ladegeräte tatsächlich funktionieren: Eine Studie aus dem Jahr 2022 zeigte, dass fast 25 Prozent der öffentlichen Ladegeräte in der San Francisco Bay Area – selbst ein Mekka für den Besitz von Elektrofahrzeugen – nicht richtig funktionierten.

Autohersteller und Batteriehersteller sind mit mehreren Lösungen an Bord, darunter der atemberaubende Aufstieg von Lithium-Eisenphosphat-Zellen in Teslas, Fords und anderen Modellen.

Um Lücken in den öffentlichen Netzen zu schließen, arbeitet GM mit EVGo an einem landesweiten Netzwerk von 2.000 Gleichstrom-Schnellladestationen, die sich in 500 Pilot- und Flying-J-Reisezentren befinden, die meisten davon entlang wichtiger Korridore. Um die Menschen dort zu erreichen, wo sie leben, auch Menschen, die keinen Zugang zum Laden zu Hause haben, nutzt GM seine mehr als 4.400 Händler, um jeweils bis zu 10 Ladestationen der Stufe 2 zu errichten, sowohl bei Händlern als auch an wichtigen Standorten, einschließlich unterversorgter städtischer und ländlicher Gemeinden. Nicholson stellt fest, dass 90 Prozent der US-Bevölkerung im Umkreis von 16 Kilometern um einen GM-Händler leben.

In seiner Rolle als SAE-Vorstandsmitglied unterstützt Nicholson auch zukunftssichere Standards für Elektrofahrzeuge, Steckverbinder und Ladegeräte. Dazu gehört der internationale Standard ISO 15118, der die bidirektionale Kommunikation zwischen Elektrofahrzeugen und Ladegeräten definiert. Dieser Standard ist der Schlüssel zu „Plug and Charge“, dem aufstrebenden Interoperabilitätssystem, das es Fahrern jedes Elektrofahrzeugs ermöglicht, es an jedes Gleichstrom-Schnellladegerät anzuschließen und die Abrechnung einfach im Backend zu erhalten. So funktionieren Teslas seit 2012, allerdings mit dem Vorteil eines geschlossenen Systems, das lediglich Tesla-Modelle erkennen und mit ihnen kommunizieren muss.

Nicholson sagte, GM strebe auch „Verfügbarkeitsgarantien“ bei Ladepartnern an. Dadurch können Fahrer im Voraus erkennen, ob ein Ladegerät betriebsbereit ist, und sich einen Platz sichern.

„Die Leute müssen in der Lage sein, einen Bahnhof zu reservieren und zu wissen, dass es funktioniert, wenn sie dort ankommen“, sagte er.

Obwohl das Jahr 2022 ein Elektroboom ist, senken einige Analysten ihre Prognosen für die Einführung von Elektrofahrzeugen aufgrund der unvorhersehbaren Nachfrage, einer drohenden Rezession und Problemen in der Lieferkette. S&P Global Mobility bleibt optimistisch und prognostiziert, dass sich im Jahr 2030 42 Prozent der weltweiten Käufer für ein Elektrofahrzeug entscheiden werden, was Präsident Bidens Ziel einer 50-prozentigen Verbreitung von Elektrofahrzeugen in Sichtweite bringt.

„Das ist ein großes Wachstum, aber es gibt viele Leute, die nicht so schnell vorankommen“, sagte Brinley. Um Elektrofahrzeuge auf den Markt zu bringen, müssen die Sterne übereinstimmen. Laut Brinley ist der wichtigste Schlüssel die anhaltende Explosion neuer Elektrofahrzeugmodelle in allen Preisklassen – darunter SUVs und Pickups, die das Lebenselixier der US-Käufer sind.

In Bezug auf Batterien sagt Brinley, dass ICE-Hersteller mit einer bestehenden Produktionsbasis, Arbeitskräften und Know-how einen Vorteil gegenüber relativen Neulingen haben könnten. Die Frage wird sein, wie gut Unternehmen wie General Motors und Ford den Übergang bewältigen können, von der Reduzierung der ICE-Produktion bis hin zur Umschulung von Arbeitskräften – von denen möglicherweise weniger für die Produktion von Batterien und Motoren als für ICE-Antriebsstränge benötigt werden. Im Februar kündigte Ford die Errichtung eines neuen 3,5-Milliarden-Dollar-Werks in Michigan zur Herstellung von LFP-Batterien an und lizenzierte die Technologie von Chinas CATL, dem derzeit weltweit größten Lithium-Ionen-Produzenten.

„Einige (alte) Automobilhersteller werden LFP für bestimmte Anwendungsfälle verwenden, und Solid-State-Lösungen in der Entwicklung könnten die Dynamik noch einmal verändern“, sagt Brinley. „Aber vorerst braucht man sowohl Batterien als auch Motoren, denn die Leute werden beides kaufen“, sagt Brinley.

Irgendwann, sagt Brinley, ist es ein Nullsummenspiel: Ein flacher globaler Markt für Autos kann nicht beide Arten von Antriebssträngen bequem unterbringen.

„Die ICE-Verkäufe müssen sinken, damit die BEV-Verkäufe steigen“, sagt Brinley. „Und das wird in den nächsten Jahren zu einem wilden Markt führen.“

NanoGraf gehört zu mehreren Start-ups, die sich nicht nur langlebigere Batterien wünschen, sondern auch eine stabile, wettbewerbsfähige nordamerikanische Lieferkette, um Chinas Batteriedominanz entgegenzuwirken. Das Inflation Reduction Act hat einen beispiellosen Tsunami einheimischer Investitionen ausgelöst, indem es eine solide inländische Beschaffung von Batterien und Batteriematerialien als Voraussetzung für Steuervergünstigungen für Elektrofahrzeuge für Hersteller und Verbraucher vorschreibt. Dazu gehören eine Steuergutschrift von 35 US-Dollar pro kWh für jede produzierte Lithium-Ionen-Zelle und eine Verbrauchersteuervergünstigung von 7.500 US-Dollar für berechtigte Elektrofahrzeuge.

Connor Hund sagt, dass NanoGraf ab dem zweiten Quartal dieses Jahres die Onshore-Produktion seines Siliziumanodenmaterials in einer neuen Anlage in Chicago anstrebt. Das Unternehmen, zu dessen Unterstützern das Verteidigungsministerium gehört, behauptet, mit 3,8 Amperestunden die bisher energiedichteste 18650-Zylinderzelle entwickelt zu haben. Der Technologieschlüssel ist ein vorlithiierter Kern, der einen Anoden-Siliziumanteil von bis zu 25 Prozent ermöglicht, im Vergleich zu Zellen, die typischerweise einen Siliziumanteil von 5 bis 7 Prozent erreichen.

„Es gibt sicherlich Spielraum, die Reichweite von Elektrofahrzeugen durch den Einsatz von Silizium um 20, 30 oder sogar 50 Prozent zu steigern“, sagt er.

Aber egal, ob es sich um NanoGraf oder den von Tesla und Panasonic angeführten Trend zu großformatigen 4680-Zylinderzellen handelt, die Skalierung zur Massenproduktion bleibt eine große Hürde. NanoGraf plant zunächst eine Kapazität von 35 bis 50 Tonnen seiner Anodenmaterialien. Aber es bräuchte 1.000 Tonnen pro Jahr, um in den Automobilbereich vorzudringen, wo der Appetit auf Batterien mittlerweile grenzenlos ist – und das zu wettbewerbsfähigen Kosten im Vergleich zu dem, was Autohersteller derzeit für Zellen aus China, Südkorea oder anderswo bezahlen.

„In diesem Bereich ist es so mörderisch, und es gibt eine Größenordnung, die man erreichen muss“, sagt Hund.

Ein Wunsch wird erfüllt: Niemand wartet auf ein Wundermittel in der Technologie, auch nicht auf Festkörperbatterien, von denen viele Experten jetzt behaupten, dass sie erst 2030 oder später für Autos bereit sein werden. Stattdessen sind Autohersteller und Batteriehersteller mit mehreren Lösungen an Bord, darunter der atemberaubende Aufstieg von LFP-Zellen in Teslas, Fords und anderen Modellen.

„Es gibt einen Mangel an all diesen Materialien, nicht genug Nickel, Kobalt oder Mangan, daher ist es wirklich hilfreich, wenn Unternehmen unterschiedliche Verbraucher mit unterschiedlichen Lösungen ansprechen.“

Westlichen Ländern fällt es schwer, alles Erforderliche ganzheitlich zu betrachten, insbesondere wenn etablierte Lösungen aus China verfügbar sind. Dabei geht es nicht nur um Rohstoffe, Anoden oder Kathoden, sondern auch um Zellen, Module, Elektrolyte und Separatoren.

„Um eine robuste US-Lieferkette zu haben, braucht man Unternehmen, die all diese Komponenten ins Ausland verlagern“, sagt er. „Wir brauchen jeden vor und nach uns, egal ob Graphit, Elektrolyt oder Separator. Jeder ist nur ein Teil des Puzzles.“

Laut Hund sollten auch sicherere Batterien auf der Wunschliste der Branche stehen, da aufsehenerregende Brände in Teslas und anderen Modellen den Ruf von Elektrofahrzeugen zu schädigen drohen oder skeptische Verbraucher in Schach halten.

„Wir können nicht zulassen, dass sich Batterien in dem Maße selbst entladen, wie es jetzt der Fall ist“, sagt er, insbesondere da sich Autohersteller auf der ganzen Welt auf ihre bisher größte Elektro-Invasion vorbereiten.

„Es ist sehr wichtig, jetzt voranzukommen, anstatt Millionen von Autos auf die Straße zu drängen und sich später um die Sicherheit zu kümmern.“

Update 14. März 2023: Diese Geschichte wurde korrigiert, um zu verdeutlichen, dass das Air Touring-Modell von Lucid über eine 92-kWh-Batterie verfügt. (In einer früheren Version dieser Geschichte wurde angegeben, dass die Kapazität der Batterie 112 kWh betrug.)