Wabenbatterie könnte Festkörperbatterien übertreffen

Batterien, um die Welt zu elektrifizieren

Batterien ermöglichen Elektroautos, Drohnen und zahlreiche mobile Geräte. Leistungsfähigere Speicher könnten auch weitere Verkehrssysteme und langfristige Konzepte unterstützen. Nicht jede Idee ist bereits technisch oder wirtschaftlich ausgereift, etwa elektromagnetische Startsysteme für die Raumfahrt.

Stationäre Batteriespeicher können zudem Solarstrom in die Abendstunden verschieben und kurzfristige Schwankungen der Windstromerzeugung ausgleichen. Für längere Dunkelflauten kommen neben Batterien weitere Lösungen infrage.

Quelle: Statista

Lithium-Ionen-Batterien prägen bislang viele Anwendungen. Die Arbeiten zu ihrer Entwicklung wurden 2019 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Mehr dazu lesen Sie in unserem Artikel zur Geschichte dieser Entdeckung.

Lithium-Ionen-Batterien altern durch verschiedene chemische und mechanische Prozesse. Unter bestimmten Bedingungen, etwa beim Laden in der Kälte oder mit zu hohem Strom, kann sich metallisches Lithium abscheiden. Dendritische Ablagerungen können Kurzschlüsse begünstigen. Flüssige organische Elektrolyte sind häufig brennbar, weshalb ein thermisches Durchgehen schwerwiegende Folgen haben kann. Dendriten wachsen jedoch nicht zwangsläufig bei jedem Zyklus in jeder Zelle.

Auch LFP-Batterien, also Lithium-Eisenphosphat-Batterien, können altern. Ihre vergleichsweise stabile Kathodenchemie beseitigt nicht alle Risiken der Anode, des Elektrolyten oder des Gesamtsystems.

Quelle: Nobel Prize

Andere Ansätze sind Natrium-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien. Letztere verwenden einen festen Elektrolyten, nicht überhaupt keinen Elektrolyten. Auch sie müssen Alterung, Grenzflächenprobleme und gegebenenfalls Dendriten beherrschen.

CATL stellte 2024 unterschiedliche Weiterentwicklungen vor: Shenxing PLUS für Elektroautos und TENER für stationäre Speicherung. Für TENER warb das Unternehmen mit ausbleibender Kapazitäts- und Leistungsdegradation in den ersten fünf Jahren. Diese Aussage ist von den Wabenstrukturen der Shenxing-PLUS-Anode zu unterscheiden.

Die Fortschritte zeigen das Entwicklungspotenzial etablierter Batterietechnik. Ob sie konkrete Festkörperkonzepte übertreffen, hängt jedoch von vergleichbaren Messwerten, Kosten und Einsatzbedingungen ab.

Wabenstrukturen für die Energiespeicherung

Beim Ein- und Auslagern von Lithium verändern manche Elektrodenmaterialien ihr Volumen. Das kann mechanische Spannungen, Risse und Kontaktverluste erzeugen. Die Bildung metallischer Lithiumablagerungen ist ein anderer, wenn auch teilweise damit verbundener Alterungsprozess.

CATL beschrieb für Shenxing PLUS eine dreidimensionale wabenartige Struktur auf der Anodenseite, die die Energiedichte verbessern und Volumenänderungen beim Laden und Entladen kontrollieren soll.

Wabenartige Geometrien wurden auch in anderen Forschungsansätzen untersucht, etwa in der 2020 veröffentlichten Arbeit „Stretchable lithium-ion battery based on new micro-honeycomb structure“. Das bedeutet nicht, dass diese Forschungsbatterie und CATLs kommerzielles Design identisch sind.

Quelle: Phys.org

CATL kündigte Shenxing PLUS mit einem Reichweitenzuwachs von 600 Kilometern in zehn Minuten unter den angegebenen Bedingungenan. Das Unternehmen nannte außerdem eine Reichweite von über 1.000 Kilometern. Solche Werte hängen von Fahrzeug, Testzyklus, Temperatur und Ladebedingungen ab und sind keine allgemeine Garantie.

Aus dem durchschnittlichen Reichweitenzuwachs darf keine konstante Ladegeschwindigkeit bis 100 % abgeleitet werden. Besonders bei hohem Ladezustand sinkt die Ladeleistung üblicherweise, sodass eine vollständige Ladung für 1.000 Kilometer nicht pauschal 16,6 Minuten dauert.

Höhere Energiedichte auf Systemebene

CATL gab für das Shenxing-PLUS-Batteriesystem eineEnergiedichte von 205 Wh/kg an und bezeichnete dies als erstmaliges Überschreiten von 200 Wh/kg für dieses LFP-System. Dabei ist zwischen einer einzelnen Zelle und dem gesamten Batteriesystem zu unterscheiden.

Die wabenartige Anodenstruktur soll helfen, die Energiedichte zu steigern und Volumenänderungen zu kontrollieren. Sie verhindert nicht automatisch jede Form von Rissbildung oder Alterung.

Die Herstellungsdetails sind nur teilweise öffentlich. Zugleich entwickeln Wettbewerber ebenfalls neue LFP-Produkte, darunter BYD mit der nächsten Generation seiner Blade-Batterie.

Herstellungsgeheimnisse

CATL nannte eine abgestufte Partikelverteilung und Nanometerverkapselung zur dichteren Packung der Kathode sowie eine schnell leitende Beschichtung. Diese Angaben beschreiben unterschiedliche Komponenten; sie bedeuten nicht, dass jedes Nanopartikel der gesamten Zelle einzeln an eine vorbestimmte Position gesetzt wird.

Die hochautomatisierte Fertigung kann hohe Stückzahlen erreichen. Eine Angabe wie eine Zelle pro Sekunde bezieht sich auf bestimmte Produktionslinien und ist nicht mit einem vollständigen Fahrzeugbatteriepaket pro Sekunde gleichzusetzen.

Eine wissenschaftliche Arbeit von 2021untersuchte Vorteile wabenartiger Strukturen, darunter eine geringe Dichte und günstige mechanische Eigenschaften. Solche Forschungsergebnisse erklären mögliche Designprinzipien, aber nicht zwangsläufig CATLs konkrete Fertigung.

In dem untersuchten Graphen-Silizium-System kann die Wabenstruktur die Agglomeration von Siliziumpartikeln vermindern, die elektrische Leitfähigkeit verbessern und den Transport von Lithium-Ionen erleichtern.

Thermische und chemische Verarbeitung kann solche porösen Strukturen erzeugen. Ohne entsprechende Offenlegung lässt sich daraus kein bestimmter Herstellungsprozess von CATL ableiten.

Quelle: Chemistry Europe

Quelle: Chemistry Europe

Weitere Verbesserungen

Verbesserungen an Zelle und Integration können sich ergänzen. Eine höhere Energiedichte kann bei gleicher gespeicherter Energie Gewicht oder Volumen senken. Die tatsächliche Fahrzeugreichweite hängt zusätzlich von Verbrauch, Aerodynamik und anderen Faktoren ab.

Für Shenxing PLUS nannte CATL außerdem die Cell-to-Pack-Technologie CTP 3.0 und eine verbesserte räumliche Integration. Nach Unternehmensangaben stieg dadurch die Volumeneffizienz um 7 %. CTP ist nicht mit Cell-to-Body gleichzusetzen.

Eine effizient gekühlte Hochvoltbox und verbesserte Batteriemanagementalgorithmen sollen den Energiebedarf und die Sicherheit verbessern. Sie machen die Batterie jedoch nicht frei von Fehler- oder Brandrisiken.

Ladeinfrastruktur

Ein flächendeckendes und zuverlässiges Ladenetz ist für viele Nutzer wichtig. Entscheidend sind neben der Standortdichte die verfügbare Leistung, Auslastung, Netzanschlüsse und die Möglichkeit, zu Hause oder am Arbeitsplatz zu laden.

Hohe Ladegeschwindigkeiten erfordern passende Ladestationen, Kabel, Kühlung und Netzanschlüsse. 4C entspricht rechnerisch einem Strom, der die Nennkapazität in einer Viertelstunde umsetzen würde. Bei einem angenommenen 100-kWh-System liegt die entsprechende Leistungsgrößenordnung bei 400 kW; eine reale vollständige Ladung verläuft nicht konstant mit dieser Leistung.

CATL kündigte 2024 den Aufbau eines Shenxing-Schnellladenetzes in China mit Partnern wie Star Charge, YKC und Shudao New Energy an.

Separat nannte das Unternehmen rund 600 Servicestellen in 271 Städten auf Präfekturebene und 31 Regionen auf Provinzebene. Servicestellen für Prüfung und Wartung sind nicht mit 600 neuen Schnellladestationen gleichzusetzen.

Über LFP-Fahrzeugbatterien hinaus

Stationäre Großspeicher

CATL entwickelt auch stationäre Batteriespeicher. Lithium- und Natrium-Ionen-Technologien können dabei unterschiedliche Anforderungen erfüllen; die eine Entwicklung schließt die andere nicht aus.

TENER wurde im April 2024 vorgestellt. Die versprochene Null-Degradation über die ersten fünf Jahre war eine Produkteigenschaft laut Hersteller, kein Nachweis eines bereits fünf Jahre betriebenen Pilotprojekts.

Quelle: Sustainability Environment

Für TENER beschrieb CATL eigene Technologien zur Stabilisierung der Grenzflächen und des Elektrolyten. Dass dieselbe Wabenstruktur wie bei Shenxing PLUS eingesetzt werde, ist damit nicht belegt.

Zu den beschriebenen Maßnahmen gehören eine Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) mit biomimetischen Ionenkanälen und selbstorganisierende Elektrolyttechnologien. Sie sollen die Grenzfläche stabilisieren und Reaktionen begrenzen, die Alterung und thermische Instabilität begünstigen. Die werbliche Bezeichnung eines „alterslosen“ Speichers ist keine allgemeine Garantie unbegrenzter Lebensdauer.

Eine längere nutzbare Lebensdauer könnte die Wirtschaftlichkeit stationärer Speicher verbessern. Kapazitätserhalt allein beweist aber keine vollständige Brandsicherheit. Wartung, Betriebsbedingungen und Garantieumfang bleiben wichtig.

Weitere Speichertechnologien behandeln wir in „Die Zukunft der Energiespeicherung: Batterietechnik für Großspeicher“. Welcher Ansatz sich durchsetzt, hängt vom Anwendungsfall ab. Die künftige Größe verschiedener Märkte und ein dauerhafter Sieg einer Chemie sind nicht gesichert.

Batterien mit kondensiertem Elektrolyten

CATL stellte 2023 außerdem eine „Condensed Battery“ vor. Eine Verbindung ihrer Struktur mit der Wabenanode von Shenxing PLUS wurde nicht hinreichend belegt.

Das Unternehmen nannte bis zu 500 Wh/kg auf Zellebene. Dieser Wert ist nicht direkt mit 205 Wh/kg auf Ebene eines LFP-Batteriesystems vergleichbar; daraus folgt keine belastbare Aussage eines 2,5-fachen Systemvorteils.

Preis und breite Verfügbarkeit waren in den damaligen Angaben nicht abschließend bestimmt. Die Entwicklungsrichtungen lassen sich folgendermaßen unterscheiden:

1. Zellen mit kondensiertem Elektrolyten und bis zu 500 Wh/kg laut Hersteller, unter anderem für Luftfahrtanwendungen in Entwicklung.
2. Weiterentwickelte LFP-Systeme um 200 Wh/kg für Elektrofahrzeuge, mit schnellem Nachladen unter passenden Bedingungen.
3. Natrium-Ionen-Technik als mögliche Alternative für bestimmte preis- oder temperaturabhängige Anwendungen.

Festkörperbatterien bleiben ein weiterer Ansatz. Ob die erste Generation im Wettbewerb gegen verbesserte LFP- oder andere Systeme bestehen kann, hängt von Kosten, Leistung, Sicherheit und Serienfertigung ab.

Quelle: Nature

Investieren in fortschrittliche Batterietechnologien

Batterien sind ein wichtiger Bestandteil der Elektrifizierung von Verkehr, Industrie und Energieversorgung. Die möglichen Märkte sind groß, aber technologischer Fortschritt garantiert keinen Anlageerfolg.

Aktien batteriebezogener Unternehmen können über unterschiedliche Broker gehandelt werden. Auf securities.iofinden Sie Leitfäden für Aktienbroker in folgenden Ländern: USA, Kanada, Australien, Vereinigtes Königreich, und vielen weiteren Ländern.

Wer statt einzelner Unternehmen breiter gestreute Fonds prüfen möchte, kann beispielsweise folgende ETFs untersuchen: Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Lithium & Battery Tech ETF (LIT)oder den WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF . Die Fonds unterscheiden sich in Strategie, Kosten und Beteiligungen. Diversifikation beseitigt die Risiken des Batterie- und Rohstoffsektors nicht.

Fortschrittliche Batterieunternehmen

1. CATL (300750.SZ)

CATL war 2023 nach Angaben des Unternehmens und der zitierten Marktdaten mit 36,8 % der weltweit verbauten Elektrofahrzeug-Batteriekapazität führend. Das ist weder mehr als die Hälfte aller Batterien weltweit noch eine Stückzahlquote.

Die Position beruht auf einem breiten Lithium-Ionen-Portfolio und umfangreichen Fertigungs- und Entwicklungsaktivitäten. Neue Produkte sind Weiterentwicklungen und ersetzen nicht sofort alle bisherigen Systeme.

Zu früheren Ankündigungen gehörten:

• Eine auf 12.000 Zyklen ausgelegte langlebige Speicherbatterie; 18.000 Zyklen wurden als langfristiges Ziel genannt, nicht als allgemeine Leistung jeder CATL-Batterie.
• Die erste Shenxing-LFP-Batterie mit angekündigter Reichweite von 700 Kilometern und einem Nachladezuwachs von 400 Kilometern in zehn Minuten, jeweils unter den angegebenen Fahrzeug- und Testbedingungen.
• Die Zelle mit kondensiertem Elektrolyten und bis zu 500 Wh/kg für mögliche Luftfahrtanwendungen.
• Eine erste Natrium-Ionen-Generation mit bis zu 160 Wh/kg auf Zellebene und einem damaligen Entwicklungsziel von 200 Wh/kg.

Quelle: CATL

Quelle: CATL

CATL kündigte außerdem Investitionen in Recyclingkapazitäten in China an. Der verlinkte Bericht nennt einen Plan von rund 3,25 Milliarden Euro, nicht einen ohne Währungsangabe bereits ausgegebenen Betrag. Nach CATLs Angaben erreichen die entsprechenden Recyclingprozesse Rückgewinnungsquoten von 99,6 % für Nickel, Kobalt und Mangan sowie 91 % für Lithium. Diese Prozesswerte sind von der Sammelquote und der tatsächlichen Rückführung aller verkauften Batterien zu unterscheiden.

Größe und Forschungskapazitäten können CATL Vorteile verschaffen, gleichzeitig bleiben Konkurrenz, Rohstoffpreise, Handelspolitik und Investitionskosten wesentliche Risiken.

Zu den Fahrzeugkunden und Partnern zählen unter anderem Tesla (TSLA ), NIO, Ford und Stellantis. Auch Hyundai gehört zu den strategischen Partnern.

Erkenntnisse aus einer Chemie können teilweise auf andere Systeme übertragbar sein. Eine Natrium-Ionen-Batterie mit denselben Waben- oder kondensierten Strukturen ist damit aber nicht automatisch angekündigt oder kommerziell bewiesen.

2. BYD (BYDDY)

BYD ist sowohl Batteriehersteller als auch ein bedeutender Anbieter von Elektroautos und Plug-in-Hybriden. Es konkurriert mit Tesla und zahlreichen anderen Automobilherstellern.

Das Unternehmen begann als Hersteller wiederaufladbarer Batterien und erweiterte später seine Aktivitäten auf Fahrzeuge. Bei Absatzvergleichen muss zwischen rein elektrischen Autos, Plug-in-Hybriden, Marken und einzelnen Modellen sowie Ländern und Berichtszeiträumen unterschieden werden.

China wurde 2023 zum größten Autoexporteur. BYD erweitert seine internationale Präsenz, unter anderem durch Fabrikprojekte wie das 2023 angekündigte Werk in Ungarn.

Der preisgünstige Seagull eröffnete zusätzliche Marktsegmente. Die 2024 angebotenen Ausführungen nutzten LFP-Blade-Batterien, nicht die häufig spekulativ erwähnten Natrium-Ionen-Batterien. Chinesische Einstiegspreise von etwa 10.000–12.000 US-Dollar sind nicht mit Exportpreisen einschließlich Abgaben gleichzusetzen.

Quelle: Von User3204 – eigenes Werk, CC BY-SA 4.0,

BYD zählt zu den wichtigen Wettbewerbern von CATL bei LFP-Batterien. Marktanteile wie die hier ursprünglich gegenübergestellten 41,1 % und 33,9 % beziehen sich auf bestimmte chinesische LFP-Marktstatistiken und dürfen nicht als globale Gesamtmarktanteile verwendet werden.

Zölle, Handelsregeln und Anforderungen an lokale Produktion können die Expansion chinesischer Elektrofahrzeughersteller in Europa und Nordamerika begrenzen.

Auch in Südamerika, Afrika, dem Nahen Osten und Südostasien bestehen Chancen, aber diese Märkte unterscheiden sich stark. Einige Länder besitzen eigene Automobilindustrien oder schützen lokale Produktion.

Eine große Bevölkerung entspricht nicht automatisch einer gleich großen Zahl zahlungsfähiger Kunden. Einkommen, Infrastruktur, Finanzierung und politische Entscheidungen beeinflussen die Nachfrage.

Lokale Fabriken können BYD bei Kosten und Marktzugang helfen, erfordern aber erhebliche Investitionen. In den 2024 diskutierten Projekten waren Ankündigungen, bestätigte Bauvorhaben und bloße Überlegungen, etwa zu Mexiko, voneinander zu trennen.