Energie
Wie Wasserstoff zur Alterung bestimmter Lithium-Ionen-Kathoden beiträgt
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Energieverlust von Batterien
Lithium-Ionen-Batterien können während der Lagerung Ladung verlieren. Diese Selbstentladung ist von einer dauerhaften Abnahme der speicherbaren Kapazität zu unterscheiden. Lebensdauer und Alterung hängen von Zellchemie, Temperatur, Nutzung und Ladezustand ab; eine allgemeine Lebensdauergrenze von sieben bis zehn Jahren lässt sich daraus nicht ableiten.
Auch kobaltfreie Batterien können altern und sich selbst entladen. Die Suche nach geeigneten Zellchemien berücksichtigt neben Leistung und Kosten auch Rohstoffversorgung und soziale sowie ökologische Folgen des Abbaus.
Bei geschichteten Kathoden werden verschiedene Mechanismen der Selbstentladung und Alterung untersucht. Dazu gehören elektrochemische Nebenreaktionen und Veränderungen der Materialstruktur.
Die hier besprochene Studie beschreibt einen zusätzlichen Mechanismus: Wasserstoff aus Reaktionen des Elektrolyten kann in bestimmte Kathodenmaterialien gelangen. Das ist keine Erklärung für sämtliche Kapazitätsverluste aller Elektrofahrzeugbatterien.
Die Ergebnisse erschienen in Science unter dem Titel „Solvent-mediated oxide hydrogenation in layered cathodes“.
Die Studie entstand in Zusammenarbeit mehrerer Hochschulen und Forschungseinrichtungen, darunter die University of Colorado, das DEVCOM Army Research Laboratory sowie nationale US-Laboratorien und internationale Partner.
Bisherige Erklärungsansätze
Beim Entladen wandern Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode. Die Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis und liefern elektrische Energie. Beim Laden wird die Richtung umgekehrt.
Quelle: ResearchGate
Ein verbreiteter Erklärungsansatz für die Selbstentladung bestimmter Kathoden betrachtet die Aufnahme von Lithium-Ionen aus dem Elektrolyten. Das ist nicht gleichbedeutend mit der Behauptung, sämtliche Alterung entstehe durch eingeschlossene Lithium-Ionen.
Die Optimierung von Ionentransport, Elektrolyt und Elektroden bleibt wichtig. Der neu beschriebene Wasserstoffmechanismus ergänzt dieses Verständnis, statt alle bisherigen Alterungsmechanismen zu widerlegen.
Wasserstoff im Kathodenmaterial
Für die Materialanalyse nutzte das Team unter anderem Röntgenmethoden am Argonne National Laboratory in Illinois.
Bei den untersuchten geschichteten Kathoden kann Wasserstoff aus dem Elektrolyten als Protonen in das Material gelangen. Es handelt sich nicht einfach um gasförmige Wasserstoffmoleküle, die beliebige Lithiumplätze besetzen.
Die Ergebnisse betreffen insbesondere delithiierte, geschichtete Übergangsmetalloxid-Kathoden und ihre Wechselwirkung mit dem untersuchten Elektrolyten.
Die damit verbundenen Strukturänderungen können zur Schädigung des Kathodenmaterials beitragen. Ihre Bedeutung hängt von Zusammensetzung und Betriebsbedingungen ab.
Damit beschreibt die Studie einen Weg, auf dem Elektrolytreaktionen sowohl den Ladezustand als auch die Materialstabilität beeinflussen können. Andere Ursachen der Batteriealterung bleiben weiterhin relevant.
Direktes Potenzial
Lösung der EV‑Einschränkungen
Reichweite, Preis, Ladezeit und Lebensdauer beeinflussen die Akzeptanz von Elektroautos. Kobaltfreie Chemien unterscheiden sich in ihren Eigenschaften; nicht jede hat grundsätzlich eine unzureichende Reichweite.
Mögliche Reparatur- und Austauschkosten spielen bei der Kaufentscheidung eine Rolle. Ob eine Batterie kürzer lebt als das Fahrzeug, lässt sich jedoch nicht allgemein aus dieser Untersuchung ableiten.
Eine längere Nutzungsdauer kann den Materialbedarf je Nutzungsjahr verringern. Für eine Umweltbewertung sind außerdem Herstellung, Strommix, Nutzung und Recycling zu berücksichtigen.
Verbesserung der Lebensdauer von Kathoden
Ein besseres Verständnis des Wasserstoffmechanismus kann helfen, gezielte Schutzmaßnahmen zu entwickeln. Denkbar sind geeignete Kathodenbeschichtungen und Elektrolyte, die die entsprechenden Nebenreaktionen vermindern. Ihre Wirksamkeit muss für das jeweilige Zellsystem geprüft werden.
Festkörperbatterien
Festkörperbatterien verwenden einen festen Elektrolyten, nicht überhaupt keinen Elektrolyten. Sie können bestimmte Reaktionen flüssiger Lösungsmittel vermeiden. Daraus folgt weder eine vollständige Immunität gegen Wasserstoff noch eine allgemeine Erklärung für ihre Leistung oder Haltbarkeit.
Investitionen in fortschrittliche Batterietechnologien
Batterien sind wichtig für Elektrofahrzeuge und die Speicherung erneuerbarer Energie. Technische Verbesserungen können wirtschaftliche Chancen eröffnen, garantieren aber weder den Erfolg einzelner Unternehmen noch eine bestimmte Anlagerendite.
Aktien von Unternehmen aus der Batteriebranche sind über verschiedene Broker handelbar. Auf securities.iofinden Sie Vergleiche für die USA, Kanada, Australien, das Vereinigte Königreich, sowie viele weitere Länder.
Alternativ können Anleger Batterie-ETFs prüfen, etwa den Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), den Lithium & Battery Tech ETF (LIT)oder den WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF. Diese Fonds können das unternehmensbezogene Risiko streuen, bleiben jedoch Markt-, Branchen- und Kostenrisiken ausgesetzt.
Weitere Beispiele behandeln unsere Artikel „Zehn Batterieaktien im Überblick“ und „Zehn Aktien aus Batteriemetallen und dem Rohstoffabbau für erneuerbare Energien“.
Fortschrittliche Batterieunternehmen
1. CATL (300750.SZ)
CATL gehört zu den größten Herstellern von Fahrzeugbatterien. Laut den von CATL zitierten Daten betrug sein Anteil am weltweiten Batterieeinsatz in Elektrofahrzeugen 2023 rund 36,8 Prozent. Das ist nicht mehr als die Hälfte der gesamten weltweiten Batterieproduktion.
Das Unternehmen entwickelt unterschiedliche Lithium-Ionen-Produkte für Fahrzeuge und stationäre Speicher. Einzelne Produktankündigungen sollten anhand ihrer jeweiligen technischen Bedingungen verglichen werden.
Zu den im Artikel genannten Entwicklungsrichtungen gehören:
- Langlebige Batterien für stationäre Speicher; Angaben zur Zahl der Zyklen hängen vom Produkt und den Testbedingungen ab.
- Eine LFP-Batterie mit einer angegebenen Reichweite von 700 km und einer Nachladung für 400 km in zehn Minuten; dies sind Herstellerangaben unter bestimmten Bedingungen, keine Garantie für jedes Fahrzeug und jede Ladesituation.
- Eine angekündigte Batterie mit bis zu 500 Wh/kg, deren mögliche Anwendungen auch die Luftfahrt umfassen.
- Natrium-Ionen-Batterien mit angekündigten 160 Wh/kg sowie einem Entwicklungsziel von 200 Wh/kg.
Quelle: CATL
CATL kündigte ein Recyclingprojekt in China mit einer geplanten Investition von rund 3,25 Milliarden Euro an. Das Unternehmen berichtete Rückgewinnungsraten von 99,6 % für Nickel, Kobalt, Mangan und 91 % für Lithium; diese Angaben sind produkt- und prozessabhängige Unternehmensinformationen.
Die Größe und Forschungsaktivitäten von CATL machen das Unternehmen zu einem wichtigen Marktteilnehmer. Daraus folgt keine Garantie, dass jede neue Technologie kommerziell erfolgreich wird.
Zu den Kunden und Partnern zählen verschiedene Fahrzeughersteller, darunter Tesla (TSLA ). Die Zusammenarbeit mit Hyundai betrifft eine angekündigte Vereinbarung für Beijing Hyundai.
Erkenntnisse aus einer Zellchemie können Anregungen für andere Systeme liefern. Konkrete Produkte wie Natrium-Ionen-Batterien mit bestimmten neuen Strukturen müssen jedoch gesondert entwickelt und geprüft werden; sie sind keine automatische Folge der Unternehmensgröße.
2. BYD (BYDDY)
BYD ist ein großer Fahrzeug- und Batteriehersteller und ein wichtiger Wettbewerber im Markt für Elektrofahrzeuge. Reine Batterieautos und Plug-in-Hybride müssen bei Absatzvergleichen getrennt betrachtet werden.
Das Unternehmen entwickelte sich von einem Batteriehersteller zu einem bedeutenden Anbieter von Fahrzeugen mit Batterie- und Plug-in-Hybridantrieb. Die Marktposition unterscheidet sich nach Land, Zeitraum und Fahrzeugkategorie.
BYD baut sein Auslandsgeschäft aus. Zu den angekündigten Projekten gehörte ein Werk in Ungarn.
Der preisgünstige BYD Seagull nutzt eine Blade-Batterie mit LFP-Chemie, keine Natrium-Ionen-Batterie. Preise in China lassen sich wegen Steuern, Transport und Ausstattung nicht unmittelbar auf andere Märkte übertragen.
BYD ist ein wichtiger Wettbewerber von CATL bei LFP-Batterien. Marktanteile müssen stets mit Zeitraum und Marktdefinition angegeben werden; einzelne chinesische LFP-Werte sind keine weltweiten Anteile aller Batterietypen.
Zölle und andere Handelsmaßnahmen können die Expansion chinesischer Fahrzeughersteller beeinflussen. Ihre Wirkung hängt vom Zielland, Produkt und Produktionsstandort ab.
Außerhalb Chinas bestehen unterschiedliche Chancen und Wettbewerbsbedingungen. Auch in Südamerika, Afrika, dem Nahen Osten und Südostasien können lokale Hersteller, Vorschriften und Handelsbarrieren relevant sein.
Eine große Bevölkerung bedeutet nicht automatisch eine entsprechende Zahl zahlungsfähiger Kunden oder den Verzicht auf Handelsschutz. Nachfrage und Regulierung müssen für jeden Markt einzeln betrachtet werden.
Lokale Produktion kann einige Kosten und Handelsbedingungen verändern. Ob BYD in Europa oder Nordamerika wettbewerbsfähig bleibt, hängt aber auch von Preisen, Zulassungen, Nachfrage und Konkurrenz ab.
