Könnten Elektrofahrzeuge für kalte Klimazonen zu einer Fahrzeugoption werden?

Abkühlung der EV-Adoptionsrate

Electrifizierung ist ein Trend, der die Welt erobert. Das gilt für Elektrofahrzeuge ebenso wie für Heizung und industrielle Prozesse. Allerdings ist noch nicht alles perfekt, da klassische Lithium‑Ion‑Batterien bei kalten Temperaturen einen starken Leistungsabfall erleiden. Während das in Kalifornien oder China – zwei Hotspots der EV‑Adoption – kaum ein Problem darstellt, kann es in nördlichen Breiten ernsthaft sein.

Trotz dieser Einschränkungen sehen wir, dass die EV‑Adoptionsraten in Ländern wie Norwegen (72 % EV und 14 % Hybride) hoch sind, was auf eine starke Bereitschaft der Bevölkerung hinweist, auf Elektrofahrzeuge umzusteigen.

Quelle: Roland Berger

Dennoch könnte der Fall von Norwegens Nachbarn darauf hindeuten, dass ohne massive Subventionen, die den norwegischen ähneln, die Adoption in der Region unter 50 % stagnieren könnte.

Verbessern Batteriesysteme die Leistung bei Kälte, könnten die Region und andere ähnliche Länder zu den ersten gehören, die 100 % BEV (Battery Electric Vehicles) erreichen.

Bisher beruhte die Haupthoffnung, die Leistung bei niedrigen Temperaturen zu verbessern, auf Natrium‑Ion‑Batterien, insbesondere dank erheblicher Fortschritte des chinesischen Unternehmens CATL (siehe den entsprechenden Bericht). Aber ein neues Konzept könnte den Weg für Lithium‑Ion‑Batterien ebnen, die speziell an kalte Bedingungen angepasst sind.

Es wurde von chinesischen Forschern der Donghua University (China), der Fudan University, der Qingdao University und der Inner Mongolia University untersucht. Sie veröffentlichten kürzlich ihr Ergebnis in *Angewandte Chemie* unter dem Titel „Negative Thermal Expansion Behavior Enabling Good Electrochemical‑Energy‑Storage Performance at Low Temperatures¹“.

Probleme von Lithium‑Ion‑Batterien bei Kälte

Lithium‑Ion‑Batterien sind nach wie vor die leistungsstärkste und energie­dichteste Batterietechnologie, die heute im für Elektrofahrzeuge erforderlichen Maßstab verfügbar ist. Dies könnte sich in Zukunft mit Festkörperbatterien ändern. Oder vielleicht werden verbesserte Lithium‑Ion‑Batterien wie Honeycomb‑Batterien genauso effizient wie Festkörpertechnologien sein.

In beiden Fällen bleibt das Problem der Kälteperformance bestehen. Der Grund ist, dass kaltes Wetter, insbesondere Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, die Diffusion von Lithium‑Ionen im Elektrodenmaterial verlangsamt. Bisher wurde dies als grundlegende Grenze der Technologie angesehen, bedingt durch die Physik der Reaktion von Lithium‑Ion bei Kälte.

Die einzigen Alternativen in Elektrofahrzeugen bestanden bisher darin, die Batterieleistung zum Aufwärmen zu nutzen (was Energie verschwendet) oder ausreichend große Batteriepacks zu installieren, sodass der Reichweitenverlust für den Nutzer akzeptabel ist. Zumindest bis jetzt.

Elektroden mit negativer thermischer Ausdehnung (NTE)

Das zentrale Konzept der Forscher besteht darin, ein Merkmal namens negative thermische Ausdehnung (NTE) für das Elektrodenmaterial zu nutzen. Dabei handelt es sich um Materialien, die sich beim Abkühlen ausdehnen – das Gegenteil der meisten Materialien, insbesondere Metalle.

Ein alltägliches Beispiel ist Wasser, das beim Gefrieren expandiert und dadurch weniger dicht ist als flüssiges Wasser.

Die Tests wurden mit Lithium‑Titan‑Phosphat LiTi2(PO4)3, kurz „LTP“, durchgeführt.

LTP

Dieses Material besteht aus einer Kristallstruktur, die ein 3‑D‑Gitter aus TiO6‑Oktaedern und PO4‑Tetraedern bildet. Dadurch entsteht eine offene, flexible Struktur, die sowohl „Hohlräume“ als auch „Kanäle“ enthält, in denen Lithium‑Ionen Platz finden können.

Quelle: Angewandte Chemie

Beim Abkühlen dehnt sich die Kristallstruktur entlang einer ihrer Kristallachsen aus. Dies vergrößert die Abstände zwischen den Sauerstoffatomen und erweitert die Hohlräume im Gitter.

Der größere Raum in kalten Kristallen erleichtert die Speicherung und den Transport der Lithium‑Ionen.

Starke Kälteleistung

Die Vergrößerung der Hohlräume hebt die geringere Mobilität der Lithium‑Ionen nicht vollständig auf, hilft jedoch enorm. Die Forscher stellten fest, dass bei –10 °C die Diffusionsrate der Lithium‑Ionen noch 84 % des Wertes bei 25 °C betrug. Sie prüften zudem, wie effizient und stabil eine solche Batterie sein würde.

Elektrochemische Tests an kohlenstoffbeschichtetem LTP bei –10 °C zeigten eine gute elektrochemische Leistung mit hoher Kapazität und hoher Ratenfähigkeit. Die Batteriedauerhaftigkeit war ebenfalls hoch, ohne signifikanten Kapazitätsverlust über 1000 Lade‑/Entladezyklen (96,8 % Kapazitäts‑Retention).

Zukünftige Anwendungen

Dieser neue Elektroden­typ muss hinsichtlich seines Potenzials für speziell für kalte Klimazonen konstruierte Elektrofahrzeuge weiter untersucht werden.

Dies wird voraussichtlich eine Voraussetzung für Elektrofahrzeuge sein, die in Regionen mit harten Wintern operieren müssen, etwa in Kanada, Skandinavien, Russland, gebirgigen Gebieten usw. Mindestens, um zum Standard zu werden und nicht nur ein nettes Zusatzfahrzeug für wohlhabende Fahrer zu bleiben.

Es ist zudem möglich, dass weitere Materialien mit negativer thermischer Ausdehnung existieren, die noch bessere elektrochemische Eigenschaften aufweisen. Daher wird wahrscheinlich weitere Forschung nötig sein, um das ideale Elektrodenmaterial für kalte Bedingungen zu finden.

Langfristig könnte diese Technologie auch wichtige Anwendungen in der Weltraumerkundung finden, da Fahrzeuge und Energiespeichersysteme im Orbit, auf dem Mond oder Mars voraussichtlich starke Leistungen selbst in extrem kalten Umgebungen benötigen.

Investitionen in fortschrittliche Batterietechnologien

Batterien stehen im Zentrum des Elektrifizierungstrends, einem mehr‑trillionen‑Dollar‑Unterfangen, das darauf abzielt, fossile Brennstoffe aus unseren Energiequellen zu entfernen.

Sie können in batterie‑bezogene Unternehmen über zahlreiche Broker investieren, und Sie finden hier auf securities.io unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich sowie vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht gezielt einzelne Batterie‑Unternehmen auswählen möchten, können Sie auch in Batterie‑ETFs investieren, etwa den Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT) oder den WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), die eine diversifiziertere Exponierung bieten, um vom wachsenden Batterie‑Markt zu profitieren.

CATL (300750.SZ)

Wie bereits erwähnt, ist CATL ein technologischer Vorreiter mit fortschrittlichen Honeycomb‑Lithium‑Ion‑Batterien und Natrium‑Ion‑Designs.

Das Unternehmen ist weltweit führend in der Batteriefertigung und produziert mehr als die Hälfte des globalen Batteriemarktes. Es ist in jedem Schritt der Lieferkette der Batteriefertigung präsent.

Dies gilt für Lithium‑Ion‑Batterien, bei denen das Unternehmen seit langem führend ist. Es ist zudem stark im Bereich LFP (Lithium‑Eisen‑Phosphat) Batterie, mit dem kürzlich angekündigten verbesserten Design, das in nur 10 Minuten 600 km Reichweite hinzufügen kann. Insgesamt könnte die Reichweite über 1.000 km (600 Meilen) liegen und damit jegliche „Reichweiten‑Angst“ zukünftiger EV‑Besitzer beseitigen.

Parallel hat CATL in der Vergangenheit beeindruckende Fortschritte bei vielen Batterietypen angekündigt :

• Eine 12.000‑Zyklen‑ultra‑lang‑lebige Batterie für groß‑skalige Energiespeicherung, mit 18.000 Zyklen als langfristiges Ziel.
• Eine Batterie mit einer Energiedichte von 500 Wh/kg, die potenziell die Elektrifizierung von Passagierflugzeugen ermöglicht.
• Massenproduktion von 160 Wh/kg Natrium‑Ion‑Batterien, mit einem Ziel von 200 Wh/kg.

Quelle: CATL

CATL hat 3,25 Mrd. $ in Batterierecycling‑Kapazitäten in China investiert. Das Unternehmen hat dabei bemerkenswerte Rückgewinnungsraten von 99,6 % für Nickel, Kobalt, Mangan und 91 % für Lithium erzielt.

Dank seiner Größe, seines Fokus und seiner F&E‑Erfolge wird CATL voraussichtlich an der Spitze von Batteriinovationen, -herstellung und -recycling stehen.

Damit ist es ein Schlüsselpartner für EV‑Hersteller, darunter Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis usw., mit Hyundai kürzlich in CATLs wachsende Liste strategischer Allianzen aufgenommen.

Zusätzlich können die in einer Chemie gewonnenen Erkenntnisse auf andere übertragbar sein. Die in diesem Artikel diskutierte Entdeckung könnte also überraschende Kombinationen ermöglichen, zum Beispiel können wir uns einige neue Ideen vorstellen:

• Elektrode mit negativer thermischer Ausdehnung, gebaut nach dem Honeycomb‑Prinzip.
• Anwendung negativer thermischer Ausdehnung auf Natrium‑Ion‑Technologie, um die ultimative kälte‑resistente Batterie zu schaffen.
• Einsatz negativer thermischer Ausdehnung in CATLs ultra‑stabilen groß‑skaligen Batterien, um den Markt für das Stromnetz kalter Länder zu erobern.

Die Skaleneffekte, die bereits durch die Produktion von mehr als der Hälfte der weltweiten Batterien entstehen, gelten wahrscheinlich für das gesamte Unternehmen, unabhängig von der jeweiligen Technologie eines einzelnen Produkts.

Je mehr Fortschritte allgemein in der Batterietechnologie erzielt werden, desto wahrscheinlicher ist es, dass CATL diese in seine bestehenden Designs integrieren kann, wodurch die Nachfrage steigt und wiederum die Skaleneffekte weiter verstärkt – ein positiver Rückkopplungseffekt.

Schließlich sollten Investoren das wachsende Spannungsfeld zwischen den USA und China beachten, wobei CATL potenziell ein Kollateralschaden sein könnte. Es wurde auf die CMC‑Liste (Chinese Military Company) des US‑Verteidigungsministeriums gesetzt.

CATL erklärte in einer Stellungnahme, dass es niemals in militärbezogene Geschäfte oder Aktivitäten verwickelt war und dass die Aufnahme in die CMC‑Liste „ein Fehler“ sei.

Das Unternehmen bemerkte, dass es keine wesentlichen negativen Auswirkungen auf sein Geschäft erwarte und dass es mit dem US‑Verteidigungsministerium zusammenarbeite, um die Situation zu klären, einschließlich rechtlicher Schritte, falls nötig.

Fast Market

Diese Entscheidung führt nicht zu sofortigen Sanktionen gegen CATL oder andere Unternehmen auf der Liste, könnte jedoch den Aktienkurs und CATLs zukünftige Exporte in westliche Märkte beeinflussen.

(Sie können auch unseren ausführlicheren Bericht vom September 2024, der vollständig CATL gewidmet ist, für einen tieferen Einblick in die Geschichte und Technologie des Unternehmens lesen).

Studienreferenz:

^{1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Negative thermal expansion behavior enabling good electrochemical‑energy‑storage performance at low temperatures. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300}