Könnten Elektrofahrzeuge für kalte Klimazonen zu einer Fahrzeugoption werden?

Elektrofahrzeug-Adoptionssatz kühlt ab

Die Elektrifizierung ist ein Trend, der die Welt erobert. Dies gilt auch für Elektrofahrzeuge sowie für Heiz- und Industrieprozesse. Allerdings ist noch nicht alles perfekt, da klassische Lithium-Ionen-Batterien bei kalten Temperaturen einen starken Leistungsabfall erleiden. So ist dies in Kalifornien oder China, zwei Hotspots der Elektrofahrzeug-Adoption, kein großes Problem, kann aber in nördlichen Breiten ein ernstes werden.

Trotz dieser Einschränkungen sehen wir, dass die Elektrofahrzeug-Adoption in Ländern wie Norwegen (72% Elektrofahrzeuge und 14% Hybride) hoch ist, was auf eine starke Bereitschaft der Bevölkerung hinweist, auf Elektrofahrzeuge umzusteigen.

Quelle: Roland Berger

Noch immer könnte der Fall von Norwegens Nachbarn darauf hindeuten, dass ohne massive Subventionen, ähnlich wie die norwegischen, die Adoption unter 50% in der Region stagnieren könnte.

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

Bisher basierte die Hoffnung auf verbesserte Leistung bei niedrigen Temperaturen auf Natrium-Ionen-Batterien, insbesondere mit soliden Fortschritten, die von dem chinesischen Unternehmen CATL (folgen Sie dem Link für den entsprechenden Bericht) erzielt wurden. Aber ein neues Konzept könnte den Weg für Lithium-Ionen-Batterien ebnen, die speziell für kalte Bedingungen angepasst sind.

Es wurde von chinesischen Forschern an der Donghua-Universität (China), Fudan-Universität, Qingdao-Universität und der Inner Mongolia University untersucht. Sie veröffentlichten kürzlich ihre Ergebnisse in Angewandte Chemie unter dem Titel „Negative thermische Expansion ermöglicht gute elektrochemische Energiespeicherleistung bei niedrigen Temperaturen¹“.

Lithium-Ionen-Batterien-Probleme mit Kälte

Lithium-Ionen-Batterien sind noch immer die leistungsstärksten und energiedichtesten Batterien, die heute im erforderlichen Maßstab für Elektrofahrzeuge verfügbar sind. Dies könnte in Zukunft mit Festkörperbatterien ändern. Oder vielleicht verbesserte Lithium-Ionen-Batterien wie Honeycomb-Batterien werden so effizient wie Festkörpertechnologien.

Aber in beiden Fällen bleibt das Problem der Kälteleistung bestehen. Der Grund dafür ist, dass Kälte, insbesondere Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, die Diffusion von Lithium-Ionen im Elektrodenmaterial verlangsamt. Bisher wurde dies als grundlegendes Limit der Technologie angesehen, das durch die Physik der Lithium-Ionen-Reaktion bei kalten Temperaturen bestimmt wird.

Die einzigen Alternativen in Elektrofahrzeugen waren bisher, die Batterieenergie zu verwenden, um sie warm zu halten (Energieverschwendung) oder große genug Batteriepacks zu installieren, damit der Reichweitenverlust für den Benutzer akzeptabel ist. Zumindest bis jetzt.

Negative thermische Expansion (NTE) Elektroden

Das Schlüsselkonzept, das von den Forschern verwendet wird, ist die Verwendung einer Eigenschaft namens negative thermische Expansion für das Elektrodenmaterial oder NTE. Dies sind Materialien, die sich ausdehnen, wenn sie abkühlen, und damit in die entgegengesetzte Richtung von den meisten Materialien, insbesondere Metallen, gehen.

Ein Beispiel aus dem Alltag ist Wasser, das sich ausdehnt, wenn es gefriert, und damit weniger dicht ist als flüssiges Wasser.

Die Tests wurden mit Lithium-Titan-Phosphat LiTi2(PO4)3 oder „LTP“ durchgeführt.

LTP

Dieses Material besteht aus einer Kristallstruktur, die ein 3D-Gitter aus TiO6-Oktaedern und PO4-Tetraedern bildet. Dies erzeugt eine offene, flexible Struktur, die “Hohlräume” und “Kanäle” enthält, in denen Lithium-Ionen untergebracht werden können.

Quelle: Angewandte Chemie

Wenn es abgekühlt wird, dehnt sich die Kristallstruktur entlang einer seiner Kristallachsen aus. Dies erhöht den Abstand 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 zunehmende Größe der Hohlräume kompensiert den geringeren Mobilität der Lithium-Ionen nicht vollständig, hilft aber sehr. Die Forscher fanden heraus, dass bei −10 °C die Diffusionsrate der Lithium-Ionen noch bei 84% des Wertes lag, der bei 25 °C erhalten wurde. Sie testeten auch, wie effizient und stabil eine solche Batterie wäre.

Elektrochemische Tests an kohlenstoffbeschichteten LTP bei −10 °C zeigten gute elektrochemische Leistung mit hoher Kapazität und hoher Rate-Fähigkeit. Die Batterie-Haltbarkeit war auch hoch, mit keiner signifikanten Abnahme der Kapazitätsretention über 1000 Lade-/Entladezyklen (96,8% Kapazitätsretention).

Zukünftige Anwendungen

Diese neue Art von Elektrode muss für ihr Potenzial in speziell entwickelten Elektrofahrzeugen für kalte Klimazonen untersucht werden.

Dies ist wahrscheinlich eine Anforderung für Elektrofahrzeuge, die in Regionen mit harten Wintern, wie Kanada, Skandinavien, Russland, bergigen Regionen usw., betrieben werden müssen. Zumindest, um zum Standard zu werden und nicht nur ein nettes Zubehör für reiche Fahrer.

Es ist auch möglich, dass andere negative thermische Expansion-Elektrodenmaterialien existieren und bessere elektrochemische Eigenschaften aufweisen. Wahrscheinlich wird also noch mehr Forschung erforderlich sein, um das ideale Kaltwetter-Elektrodenmaterial zu finden.

Langfristig könnte diese Technologie auch wichtige Anwendungen in der Raumfahrt haben, da Fahrzeuge und Energiespeichersysteme, die in der Umlaufbahn, auf dem Mond oder dem Mars betrieben werden, starke Leistung auch in extrem kalten Umgebungen erfordern.

Investitionen in fortschrittliche Batterietechnologien

Batterien stehen im Mittelpunkt des Trends der Elektrifizierung, selbst ein großes, mehrtrillionenschweres Vorhaben, das darauf abzielt, fossile Brennstoffe aus unseren Energiequellen zu entfernen.

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

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, spezifische Batterie-Unternehmen auszuwählen, können Sie auch in Batterie-ETFs wie Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT) oder den WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF investieren, der eine diversifizierte Exposition gegenüber der wachsenden Batterieindustrie bietet.

CATL(300750.SZ)

Wie bereits besprochen, ist CATL ein technologischer Führer mit fortschrittlichen Honigwaben-Lithium-Ionen-Batterien und Natrium-Ionen-Designs.

Das Unternehmen ist der weltweite Marktführer im Batterieherstellungssektor und produziert mehr als die Hälfte des globalen Batterievolumens. Es ist in jedem Schritt der Batterieherstellungs-Lieferkette präsent.

Dies gilt für Lithium-Ionen-Batterien, bei denen das Unternehmen seit langem ein etablierter Marktführer ist. Es ist auch stark in LFP (Lithium-Eisen-Phosphat)-Batterien, mit dem kürzlich angekündigten verbesserten Design, das 600 km Reichweite in nur 10 Minuten hinzufügen kann. Insgesamt könnte die Fahrbereich über 1.000 km (600 Meilen) betragen, was alle „Reichweitenängste“ für zukünftige Elektrofahrzeug-Besitzer vollständig beseitigt.

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

• Ein 12.000-Zyklen-Ultra-Langlebens-Batterie für die Speicherung von Strom auf NutzungsEbene, mit 18.000 Zyklen als langfristiges Ziel.
• Ein Batterie mit einer Energiedichte von 500 Wh/kg, die möglicherweise die Elektrifizierung von Passagierflugzeugen ermöglichen könnte.
• Massenproduktion von 160Wh/kg-Natrium-Ionen-Batterien, mit einem Ziel von 200 Wh/kg.

Quelle: CATL

CATL hat 3,25 Mrd. in Recyclingkapazitäten in China investiert. Es hat bemerkenswerte Rückgewinnungsraten von 99,6% für Nickel, Kobalt, Mangan und 91% für Lithium erzielt.

Dank seiner Größe, seines Fokus und seiner Forschungsergebnisse ist CATL wahrscheinlich an der Spitze der Batterieinnovation, -herstellung und -recycling.

Dies macht es zu einem wichtigen Partner für Elektrofahrzeug-Hersteller, einschließlich Tesla, NIO, Ford, Stellantis usw., mit Hyundai, das kürzlich zu CATLs wachsendem Portfolio strategischer Allianzen hinzugefügt wurde.

Darüber hinaus können die Erfahrungen, die in einer Chemie gewonnen werden, auf eine andere anwendbar sein. So könnte die in diesem Artikel diskutierte Entdeckung der Ursprung überraschender Kombinationen sein, zum Beispiel können wir uns einige neue Ideen vorstellen:

• Negative thermische Expansion-Elektrode mit Honigwaben-Struktur.
• Anwendung der negativen thermischen Expansion auf Natrium-Ionen-Technologie, um die ultimative Kaltwetter-Batterie zu entwickeln.
• Verwendung der negativen thermischen Expansion in CATLs ultra-stabilen Batterien für die Speicherung von Strom auf NutzungsEbene, um den Markt für das Stromnetz kalter Länder zu erobern.

Die Größenvorteile der bereits produzierten Hälfte der Weltbatterien sind auch wahrscheinlich auf das gesamte Unternehmen anwendbar, unabhängig von der spezifischen Technologie, die in einem bestimmten Produkt verwendet wird.

Je mehr Fortschritte in der Batterietechnologie erzielt werden, desto wahrscheinlicher ist es, dass CATL in der Lage ist, diese in seine bestehenden Designs zu integrieren, was eine größere Nachfrage schafft, die wiederum die Größenvorteile weiter erhöht, in einer positiven Rückkopplungsschleife.

Schließlich sollten Anleger sich der wachsenden Kluft zwischen den USA und China bewusst sein, mit CATL als potenziell betroffenem Unternehmen. Es wurde der Liste der chinesischen Militär-Unternehmen (CMC) des US-Verteidigungsministeriums hinzugefügt.

CATL erklärte in einer Erklärung, dass es nie ein militärisches Geschäft oder Aktivitäten betrieben habe und dass seine Aufnahme in die CMC-Liste ein „Fehler“ sei.

Das Unternehmen betonte, dass es keine wesentlich negativen Auswirkungen auf sein Geschäft erwartet und dass es mit dem US-Verteidigungsministerium zusammenarbeitet, um die Situation zu klären, einschließlich rechtlicher Schritte, wenn notwendig.

Fast Market

Diese Entscheidung verhängt keine sofortigen Sanktionen gegen CATL oder andere Unternehmen auf der Liste, könnte aber dennoch den Aktienkurs und die zukünftigen Exporte von CATL in westliche Märkte beeinflussen.

(Sie können auch unser umfassenderen Bericht von September 2024 lesen, der sich ausschließlich mit CATL beschäftigt, für eine tiefere Einsicht in die Geschichte und Technologie des Unternehmens).

Studienreferenz:

^{1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Negative thermische Expansion ermöglicht gute elektrochemische Energiespeicherleistung bei niedrigen Temperaturen. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300}