Hersteller von Elektroauto-Batterien versuchen, Chinas Dominanz im Batteriesektor durch die Entwicklung billigerer Zellmaterialien zu brechen
US-amerikanische und europäische Start-up-Unternehmen haben Mühe, neue Batterien unter Verwendung von zwei reichlich vorhandenen, billigen Materialien, Natrium und Schwefel, die Chinas Dominanz bei Batterien verringern, drohende Versorgungsengpässe beseitigen und zu einem Massenmarkt für Elektrofahrzeuge führen könnten.
Die heutigen Elektroautos werden mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, die hauptsächlich aus hochwertigem Lithium, Kobalt, Mangan und Nickel bestehen, deren Preise in die Höhe geschossen sind.
Die westlichen Hersteller haben Schwierigkeiten, mit ihren asiatischen Konkurrenten gleichzuziehen, und die Autohersteller erwarten, dass die Autoproduktion gegen Mitte des Jahrzehnts von Lieferengpässen betroffen sein wird.
Die Elektrofahrzeuge der Zukunft, die nach 2025 auf den Markt kommen, könnten auf Natrium-Ionen- oder Lithium-Sulfid-Batterien umgestellt werden, die bis zu zwei Drittel billiger sein könnten als die heutigen Lithium-Ionen-Zellen.
Ihr Erfolg hängt jedoch von potenziellen Durchbrüchen in der Elektrochemie ab, die von Start-up-Unternehmen wie Theion in Berlin und Faradion im Vereinigten Königreich sowie Lyten in den Vereinigten Staaten erzielt werden.
Neuere chemische Batterien haben Probleme, die es zu lösen gilt. Natrium-Ionen-Batterien speichern noch nicht genug Energie, und Schwefelzellen neigen dazu, schnell zu korrodieren und halten nicht lange.
Mehr als ein Dutzend Start-up-Unternehmen haben jedoch Millionen von Dollar an Investitionen sowie staatliche Zuschüsse erhalten, um neue Batterietypen zu entwickeln.
Derzeit dominiert China die Batterieproduktion, einschließlich des Abbaus und der Raffination von Rohstoffen.
Benchmark Mineral Intelligence, ein im Vereinigten Königreich ansässiges Beratungsunternehmen, schätzt, dass China derzeit über 75 % der weltweiten Kobaltverarbeitungskapazität und 59 % der Lithiumverarbeitungskapazität verfügt.
"Wir sind immer noch von einer Materiallieferkette aus China abhängig", sagte James Quinn, Geschäftsführer des britischen Natrium-Ionen-Batterie-Start-ups Faradion, das mehr als 1 Million Dollar an staatlichen Zuschüssen von Innovate UK erhielt, bevor es letztes Jahr vom indischen Mischkonzern Reliance für 117 Millionen Dollar gekauft wurde. "Wenn man sich die globalen geopolitischen Auswirkungen ansieht, dann ist das eine Herausforderung für die Energieversorgung, die Wirtschaft und die nationale Sicherheit".
Auch die asiatischen Batteriegiganten arbeiten an neuen Chemikalien. Das chinesische Unternehmen CATL will 2023 mit der Produktion von Natriumionenzellen beginnen. Das koreanische Unternehmen LG Energy Solution will bis 2025 mit der Produktion von Lithium-Schwefel-Zellen beginnen.
Die Technologie der Batterie
Die teuerste Komponente einer EV-Batterie ist die Kathode, die bis zu einem Drittel der Kosten einer Batterie ausmacht.
Die meisten EV-Batterien verwenden heute eine von zwei Arten von Kathoden: Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) oder Lithium-Eisen-Phosphat (LFP).
NCM-Kathoden sind in der Lage, mehr Energie zu speichern, aber sie verwenden teure Materialien (Nickel, Kobalt). LFP-Kathoden speichern in der Regel 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 in die Höhe geschossen.
Deshalb hoffen viele Unternehmen, billigere, häufiger vorkommende Materialien wie Natrium und Schwefel ersetzen zu können, wenn ihre technischen Grenzen überwunden werden können.
"Natriumionen haben auf jeden Fall eine Nische, vor allem für stationäre Speicher und einfache Fahrzeuge in kostensensiblen Märkten wie China, Indien, Afrika und Südamerika", sagt Berater Prabhakar Patil, eine ehemalige Führungskraft von LG Chem.
"Die Importkosten für Lithiumsulfid sind wahrscheinlich von höherer Qualität, obwohl es das Potenzial hat, kostengünstiger zu sein", sagte Patil.
Das in Michigan ansässige Unternehmen Amandarry und das britische Start-up-Unternehmen AMTE Power entwickeln Natriumionenbatterien, bei denen Natriumchlorid, also Kochsalz, als Hauptkathodenkomponente verwendet wird. Sie benötigen kein Lithium, Kobalt oder Nickel, die drei teuersten Batteriekomponenten.
Jeff Pratt, Leiter des britischen Centre for Industrial Battery Manufacturing - einer mit 130 Millionen Pfund (153 Millionen Dollar) von der Regierung finanzierten Fabrik, die ihre Produktionslinien an Start-ups vermietet, um die chemische Zusammensetzung von Batterien zu testen - sagte, er versuche, die Zellen eines Natrium-Ionen-Start-ups in einen vollen Produktionsplan einzubauen, weil es "strategisch wichtig" für Großbritanniens Hoffnungen sei, bei der Entwicklung neuer, besserer Batterien an der Spitze zu stehen.
Die US-amerikanischen Unternehmen Lyten und Conamix, das deutsche Unternehmen Theion und das norwegische Unternehmen Morrow entwickeln Lithium-Schwefel-Kathoden, die zwar Lithium in kleineren Mengen benötigen, aber kein Nickel oder Kobalt.
Durch die Verwendung des allgegenwärtigen Kathodenmaterials Schwefel, das in Düngemitteln weit verbreitet ist und daher so billig wie Salz ist, könnten die Batteriekosten um bis zu zwei Drittel gesenkt werden, wodurch Elektrofahrzeuge auch für die Mittelschicht erschwinglich würden.
Aktuelle EV-Batterien kosten in der Regel zwischen 10,000$-12,000$.
"Wenn es uns gelingt, die Ziele zu erreichen, die wir mit einigen der größten Automobilhersteller der Welt vereinbart haben, dann werden wir im Wettbewerb bestehen", so Charlotte Hamilton, CEO von Conamix.
Die Route
Die Batterie-Start-ups geben an, dass sie in Gesprächen mit großen Automobilherstellern stehen, von denen einige aktiv neue Batterien testen, die noch vor Ende des Jahrzehnts in serienmäßig produzierten Elektroautos zum Einsatz kommen könnten. Die Autokonzerne wollen sich ihre Optionen offen halten.
"Im Laufe der Zeit werden weitere Chemikalien (Batterien) auf den Markt kommen", so Linda Zhang, leitende Ingenieurin für den Ford F150 Lightning Elektro-Lkw. "Es wäre dumm, die Vorteile dieser Chemikalien nicht zu nutzen.
Auf dem 2020 Battery Day von Tesla erklärte CEO Elon Musk, dass das Unternehmen einen dreistufigen Ansatz" für Lithium-Ionen-Batterien verfolgen werde, bei dem verschiedene Materialien verwendet werden, um wirklich sparsame" Elektrofahrzeuge zu bauen - insbesondere eisenbasierte LFP-Batteriezellen - sowie größere, leistungsstärkere und teurere Elektrofahrzeuge, bei denen nickelbasierte NCM- oder NCA-Zellen mit Kathodenmaterial aus Kobalt oder Aluminium verwendet werden.
Die Batterieentwickler hoffen, dass sie das Angebot für die Automobilindustrie um Natrium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien erweitern können.
Duncan Williams, Geschäftsführer des Beratungsunternehmens Nomura Greentech, sagte, dass die jüngsten Durchbrüche die Lücke bei Themen wie Energiedichte und Zyklusdauer schließen, "so dass wir erwarten, dass diese beiden Alternativen in Zukunft Marktanteile gewinnen werden".
Das in Michigan ansässige Unternehmen Amandarry stellt bereits Natriumionenzellen in seinem Werk in Haining, China, her, so dass diese Zellen nicht für Anreize im Rahmen des US-Inflationsbekämpfungsgesetzes in Frage kämen.
Das Unternehmen sagt, es werde auch ein Werk in Nordamerika bauen.
Partnerin Amy Chen sagt, dass Amandarrys erste Anwendung im Transportwesen wahrscheinlich elektrische Zweiräder sein werden.
Neben 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 beginne zunächst mit Batterien für stationäre Energiespeichersysteme, wie sie von Netzbetreibern verwendet werden, wo die Energiedichte weniger wichtig ist.
Quinn von Faradion sagte, dass die Batterien des Unternehmens bereits mit LFP-Zellen wettbewerbsfähig sind und dass das Unternehmen ein Joint Venture für Energiespeicherung mit dem Agrarriesen ICM Australia gegründet hat.
Quinn sagte, dass die Batterien von Faradion in einem relativ kleinen Maßstab um ein Drittel billiger sein dürften als LFP-Batterien auf Eisenbasis.
Er sagte, Faradion habe Gespräche mit "den meisten der großen Automobilunternehmen" geführt.
"In den nächsten drei bis fünf Jahren werden Sie (unsere Batterien) auf der Straße sehen".
"Die Chemie der Zukunft"
Schwefel ist eine "harte Chemie", die in Batterien nicht funktioniert, sagt Celina Mikolajczak, Chief Battery Technical Officer beim kalifornischen Start-up Lyten, das laut der Investment-Website PitchBook 47,5 Millionen Dollar von Investoren erhalten hat.
Aber, so betonte er, es ist "die Chemie der Zukunft, die Chemie, die Batterien auf den Massenmarkt bringt".
Ulrich Ehmes, CEO von Theion, behauptet, dass das Problem mit Schwefel darin besteht, dass er so korrosiv ist, dass er eine Batterie nach 30 Ladungen tötet.
Das Berliner Unternehmen, hinter dem mehrere Privatinvestoren stehen, habe jedoch eine Methode zur Verarbeitung und Beschichtung einer Lithiumsulfid-Elektrode entwickelt, die eine lange Lebensdauer im Elektroauto ermögliche.
Theion will noch in diesem Jahr mit der Lieferung von Batterien beginnen, um Pumpen und Weltraumraketen beim Start anzutreiben. Laut Ehmes plant das Unternehmen, 2024 mit der Lieferung von Testzellen an Fahrzeughersteller zu beginnen, wobei die ersten EV-Produktionsanwendungen um 2027 erwartet werden.
Theion geht davon aus, dass seine Lithium-Schwefel-Kathoden dreimal mehr Energie speichern können als herkömmliche NCM-Zellen, sich extrem schnell aufladen und die Batteriekosten um zwei Drittel auf etwa 34 $ pro Kilowattstunde senken.
"Es ist billig und hat eine hohe Energiedichte, also scheint es geeignet zu sein", fügte Ehmes hinzu.
Tony Harper, Direktor der Faraday Battery Challenge, des britischen Regierungsprogramms, das in die Förderung neuer Batterietechnologien investiert, sagte, die Automobilindustrie mache sich zunehmend Sorgen um die Versorgung mit Lithium, Kobalt, Mangan und Nickel, so dass neue Chemikalien unerlässlich seien.
"Dies wird den Druck auf eine Situation erhöhen, von der wir dachten, dass sie sehr, sehr schwierig werden würde", sagte Harper.
