Investieren in Nobelpreis-Erfolge: Lithium-Ionen-Batterien zur Stromversorgung der Welt

Geschichte des Nobelpreises

Der Nobelpreis ist die prestigeträchtigste Auszeichnung in der Wissenschaftswelt. Er wurde gemäß Alfred Nobels Testament geschaffen, um einen Preis „an diejenigen zu verleihen, die im vorangegangenen Jahr den größten Nutzen für die Menschheit erbracht haben“ in Physik, Chemie, Physiologie oder Medizin, Literatur und Frieden zu vergeben. Ein sechster Preis wurde später von der schwedischen Zentralbank für Wirtschaftswissenschaften eingeführt.
Die Entscheidung, wem der Preis verliehen wird, liegt bei mehreren schwedischen akademischen Institutionen.

Erbschaftsbedenken

Die Entscheidung, den Nobelpreis zu schaffen, kam Alfred Nobel, nachdem er seine eigene Nachruf gelesen hatte, der durch einen Fehler einer französischen Zeitung entstanden war, die die Nachricht vom Tod seines Bruders missverstand. Unter dem Titel „Der Händler des Todes ist tot“ kritisierte der französische Artikel Nobel wegen seiner Erfindung rauchfreier Sprengstoffe, von denen Dynamit der bekannteste war.
Seine Erfindungen hatten großen Einfluss auf die moderne Kriegsführung, und Nobel kaufte ein riesiges Eisen‑ und Stahlwerk, um es zu einem bedeutenden Rüstungshersteller auszubauen. Da er zunächst Chemiker, Ingenieur und Erfinder war, erkannte Nobel, dass er nicht als ein Mann in Erinnerung bleiben wollte, der durch Krieg und den Tod anderer ein Vermögen gemacht hat.

Nobelpreis

Heutzutage ist Nobels Vermögen in einem Fonds angelegt, der Erträge erwirtschaftet, um die Nobelstiftung sowie die vergoldete grüne Goldmedaille, das Diplom und den Geldpreis von 11 Millionen SEK (etwa 1 Million $) für die Preisträger zu finanzieren.

Oft wird das Nobelpreisgeld auf mehrere Preisträger aufgeteilt, insbesondere in wissenschaftlichen Bereichen, in denen es üblich ist, dass 2 oder 3 führende Persönlichkeiten gemeinsam oder parallel zu einer bahnbrechenden Entdeckung beitragen.
Im Laufe der Jahre wurde der Nobelpreis zum WETEN wissenschaftlichen Preis, der versucht, ein Gleichgewicht zwischen theoretischen und sehr praktischen Entdeckungen zu finden. Er hat Errungenschaften ausgezeichnet, die die Grundlagen der modernen Welt geschaffen haben, wie Radioaktivität, Antibiotika, X‑Strahlen oder PCR, sowie fundamentale Wissenschaften wie die Energiequelle der Sonne, die Elektronenladung, die Atomstruktur oder die Superfluidität.

Eine Batterie, die alles antreibt

Heute scheint die Elektrifizierung ein unaufhaltsamer Trend zu sein, der unsere Energiesysteme übernimmt und fossile Brennstoffe ersetzt, von Elektrofahrzeugen bis zu Wärmepumpen. Ohne die Entstehung von Batterien, die weitaus leistungsfähiger sind als die früheren, auf Metall und Säure basierenden Designs, wäre das alles nicht möglich gewesen.

Batterien funktionieren im Allgemeinen, indem sie Strom speichern und wieder freigeben. Während einige Batterien Einweg sind, sind die nützlicheren Batterien wiederaufladbar. Über einen sehr langen Zeitraum war die Blei‑Säure‑Batterie, die Mitte des 19. Jahrhunderts erfunden wurde, dank ihrer geringen Kosten und Robustheit die dominierende Form wiederaufladbarer Batterien.

Im einfachsten Fall funktionieren Blei‑Säure‑Batterien, indem sie beim Laden Schwefelionen von der Säure zu den Bleiatomen übertragen und diese Reaktion beim Entladen umkehren.

• Hohe Masse
• Korrosive Materialien.
• Relativ kurze Lebensdauer mit nur wenigen hundert bis tausend Ladezyklen.
• Selbstentladung über die Zeit.
• Begrenzte Energiespeicherung/Energiedichte.

All diese Einschränkungen machten die Blei‑Säure‑Batterie zu einer guten Option für Anwendungen mit geringem Strombedarf, wie das Zünden und Radio eines Benzinautos. Aber alles, das mehr Leistung verlangt, von Elektronik bis zum Ersatz fossiler Brennstoffe, würde mit diesem Batterietyp nicht funktionieren.

Das änderte sich dank der gemeinsamen Arbeit von drei Forschern, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino. Gemeinsam gewannen sie 2019 den Nobelpreis für Chemie für ihren Beitrag zur Entwicklung der Lithium‑Ion‑Batterie.

Heute haben Lithium‑Ion‑Batterien den Sprung von der Stromversorgung von Computern, Smartphones und Powerbanks zu Elektrofahrzeugen, Stromnetzen und vielleicht bald sogar Flugzeugen geschafft.

Einzigartige elektrische Eigenschaften von Lithium

Lithium wurde 1817 von schwedischen Chemikern entdeckt. Es ist das leichteste feste Element mit der Ordnungszahl 3 (nur 3 Protonen im Kern).

Die geringe Größe der Lithium‑Atome bedeutet, dass sie nur ein Elektron in ihrer äußeren Schale besitzen, und wenn dieses Elektron zu einem anderen Atom wandert, erzeugt das eine enorme elektrische Potentialänderung pro Atom.

Obwohl diese extreme Reaktivität ideal für den Einsatz in Batterien ist, birgt sie auch Gefahren. Aufgrund der hohen Reaktivität des Elements kann reines Lithium‑Metall bei Kontakt mit Wasser oder Luft von selbst entzünden. Das ist ähnlich wie bei metallischem Natrium oder Magnesium.

Die meisten Batterien basieren auf dem Grundkonzept einer negativen Anode und einer positiven Kathode, die durch einen flüssigen Elektrolyten verbunden sind.

Lithiums extreme Reaktivität bedeutete, dass der Elektrolyt nicht wasserbasiert sein konnte. In den 1960er‑Jahren wurden mehrere solcher Elektrolyte mit organischen (kohlenstoffbasierten) Molekülen entwickelt, um die richtige Mischung aus Inertheit, Schmelzpunkt, Redox‑Stabilität, Löslichkeit von Lithium‑Ionen und Salzen, Ionen‑/Elektronentransferraten, Viskosität usw. zu finden.

Das ursprüngliche Design von Lithium‑Ion‑Batterien nutzte metallisches Lithium als Anode und Carbonatverbindungen als Elektrolyte. Die Suche nach dem richtigen Kathodenmaterial stellte jedoch eine größere Herausforderung dar.

Großes Öl schafft Lithium‑Batterien

So überraschend es auch klingen mag, die Entstehung der modernen Lithium‑Ion‑Batterie, die letztlich das Auto mit Verbrennungsmotor gefährden würde, wurde bei der „Big Oil“ Exxon Research and Engineering Company entwickelt.

In den 1970er‑Jahren wurde die Idee des „Peak Oil“, also der Erschöpfung der Ölvorräte, von Ölgesellschaften sehr ernst genommen. Um die kontinuierliche Präsenz des Unternehmens im Energiesektor zu sichern, stellte Exxon einige der besten Wissenschaftler des Fachgebiets ein. Sie erhielten großzügige Forschungsbudgets sowie die seltene Freiheit, eigenständig die vielversprechendste Idee zu verfolgen.

Unter ihnen war Stanley Whittingham, ein Forscher der Stanford University, der sich auf „Interkalation“ spezialisierte. Interkalation ist das Phänomen, bei dem atomgroße Hohlräume in einem Material Ionen binden können.

Interkalation wäre das ideale Material, um eine Kathode für Lithium‑Ion‑Batterien zu bauen, die Lithium‑Ionen in den Lücken hält.

Dies erforderte jedoch umfangreiche Forschung, da die Kathode zudem eine lange Liste von Spezifikationen erfüllen musste:

• Nicht im Elektrolyten löslich.
• Keine Interkalation des Elektrolyten.
• Interkalation muss reversibel sein.
• Minimale strukturelle Veränderungen beim Laden und Entladen.
• Kann bei Umgebungstemperatur und -druck betrieben werden.

Whittingham entschied sich letztlich für Titandisulfid (TiS2), nachdem er Tantal‑Disulfid in Betracht gezogen hatte, wählte jedoch Titan wegen des hohen Gewichts von Tantal.

Um die Leistung zu steigern, fanden sie ein Verfahren, bei dem TiS2‑Pulver mit Teflon gemischt und an einer Stahlstütze befestigt wurde, umgeben von einer Polypropylen‑Folge und Lithium‑Metall.

Das Dendrit-Problem

Ein Problem plagte die potenzielle Lithium‑Ion‑Batterie weiterhin. Nach vielen Lade‑Entlade‑Zyklen bildete sich aus Lithium eine baumartige Struktur, ein Dendrit.

Wenn die Dendrite die Isolierung durchbrachen, die die beiden Segmente der Batterie trennte, erzeugten sie einen Kurzschluss. Dieses Problem stoppte die Entwicklung einer kommerziellen Lithium‑Ion‑Batterie.

Als sie die andere Elektrode erreichten, kam es zu einem Kurzschluss der Batterie, der zu einer Explosion führen konnte.
Die Feuerwehr musste mehrere Brände löschen und drohte schließlich, das Labor für die speziellen Chemikalien, die zur Löschung von Lithiumbränden verwendet wurden, zur Kasse zu bitten.

Dendrite ließ sich besser kontrollieren, indem Aluminium zur Lithium‑Anode hinzugefügt wurde, wodurch die erste kommerzielle Lithium‑Ion‑Batterie entstand, die 1976 in Uhren verwendet wurde.
Parallel dazu fielen die in den 1970er‑Jahren während der Stagflation stark gestiegenen Ölpreise wieder. Neue Ölvorkommen wurden entdeckt, wodurch die Angst vor Peak Oil abnahm. Das verringerte zudem Exxons Einnahmen und Gewinne, was das Unternehmen zwang, die Grundlagenforschung zu reduzieren und die neu erfundene Batterie an andere Unternehmen zu lizenzieren.

Besseres Kathodenmaterial

Wo Stanley Whittingham eine brauchbare Kathode geschaffen hatte, würde der nächste Nobelpreisträger, John Goodenough, ihr elektrisches Potential verbessern und die Batterieleistung steigern.

Goodenough, ein Physiker und Mathematiker, hatte zuvor zur Erfindung des Random‑Access‑Memory (RAM) am MIT beigetragen. Anschließend wechselte er an die Universität Oxford, um Forschung zu Energiesystemen, insbesondere Batterien, zu betreiben.

Bei der Untersuchung der neu erfundenen Lithium‑Ion‑Batterien erkannte er, dass Metalloxid noch besser funktionieren könnte als Whittinghams Metallsulfid. Nach einer systematischen Suche stellte er fest, dass das Design aus Lithium‑Kobalt‑Oxid das Doppelte des elektrischen Potentials des vorherigen Designs bei 4 V aufwies, und veröffentlichte seine Entdeckung 1980.

Dieses kobaltbasierte Design blieb bis zum letzten Jahrzehnt das dominierende Merkmal von Lithium‑Ion‑Batterien, bevor kobaltfreie alternative Chemien für Lithium‑Batterien auftauchten. Ein noch laufender Prozess, wie wir in unserem Artikel „Designing a Better Battery – Out with Cobalt and In with…TAQ?“ diskutierten.

Ein neues Zuhause für Lithium‑Forschung

In westlichen Ländern verringerte der dramatische Rückgang der Ölpreise in den 1980er‑Jahren die Nachfrage nach alternativen Energielösungen. In Japan hingegen wurde die portable Kleinverbraucherelektronik zu einer boomenden Industrie. Sie benötigte eine immer stärker werdende Energieversorgung, die zudem langlebig, leicht und klein genug war, um in Walkmans, Kameras, Computern, schnurlosen Telefonen usw. zu passen.

Akira Yoshino von der Asahi Kasei Corporation erkannte früh, dass Batterien das fehlende Bindeglied waren und dass die Branche sie benötigen würde.

Lithium‑Ion‑Batterien passten in Bezug auf die Energiedichte gut, und sie verfügten nun über eine gute Kathode mit Goodenoughs kobalt‑basiertem Design. Das Problem der Lithium‑Metall‑Anode und ihrer gefährlichen Dendrite blieb jedoch bestehen.

Yoshino testete Batterien mit reinem Lithium und stellte fest, dass Tests, bei denen ein schweres Gewicht auf die Batterie fallen gelassen wurde, eine starke Explosion auslösen konnten. Das war für größere Batterien zu gefährlich, um die Verbraucherschutzgesetze zu bestehen, und würde ohnehin eine PR‑Katastrophe bedeuten.

Entfernung von Lithium aus der Anode

Graphit, also reiner Kohlenstoff, wie die Mine eines Bleistifts, war lange als potenzieller Ersatz für die metallische Lithium‑Anode bekannt, dank seines niedrigen elektrischen Potentials im Vergleich zu Li+/Li. Das Problem war, dass das Graphit beschädigt würde und in den organischen Elektrolyten abblätterte.

Yoshinos entscheidende Erkenntnis, die ihm den Nobelpreis einbrachte, war die Verwendung von Petroleum‑Koks anstelle von Graphit. Koks ist ein Nebenprodukt der Erdölindustrie, und einige Qualitätsgrade des Produkts erwiesen sich unter den erforderlichen Bedingungen als stabil, um eine Lithium‑Ion‑Batterie zu bilden.

Yoshino stellte zudem fest, dass eine Koks‑Anode mit dem richtigen Kristallinitätsgrad große Mengen an Lithium‑Ionen aufnehmen und wieder freisetzen kann. Dieses Design war deutlich sicherer und ebnete den Weg für die Kommerzialisierung größerer Lithium‑Ion‑Batterien.

Yoshino baute anschließend eine solche Batterie mit seiner neu entwickelten Koks‑Anode und Goodenoughs Kobalt‑Oxid‑Kathode.

Sie wurde 1991 von Sony und Asahi Kasei kommerziell eingeführt, 11 Jahre nach Goodenoughs Entdeckung und 15 Jahre nach Whittinghams erster kommerzieller Lithium‑Ion‑Batterie.

Erbe der Lithium‑Ion‑Batterie und anhaltende Relevanz

Yoshinos Koks‑/Kobalt‑Oxid‑Lithium‑Ion‑Batterien fanden schnell ihren Weg in alle modernen elektronischen Geräte. Gemeinsam entwickelten sie sich zusammen mit dem Fortschritt in der Computer‑ und Elektroniktechnologie weiter und schufen nacheinander Laptops, MP3‑Player, Smartphones, Handheld‑Konsolen und Tablets, die in unserem Leben allgegenwärtig sind.

Lithium‑Ion erlebte mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen (EVs) eine neue Revolution. Sie wurden zunächst von Tesla (TSLA ) und chinesischen Fahrzeugherstellern wie BYD (einem Batterieunternehmen, bevor es zum weltweit größten Elektroautohersteller wurde, siehe mehr zu BYD am Ende des Artikels) unterstützt.

Da ein einziges EV das Batterieraumvolumen von Hunderten von Smartphones oder Computern verbraucht, hat diese Marktveränderung zu einer Explosion der Nachfrage nach Lithium‑Ion‑Batterien geführt, die den Markt vor 2015 bei weitem übertrifft.

Die Elektrifizierungsrevolution ist jetzt in vollem Gange, selbst wenn etablierte Automobilhersteller und kleinere Start‑ups Schwierigkeiten haben, den Übergang zu schaffen, vorerst übertroffen von aggressiven chinesischen Automobilherstellern, die beim EV‑Technologie‑Vorsprung voraus sind.

Lithium‑Ion‑Batterien finden sogar Anwendung bei der Stabilisierung des Stromnetzes, das zunehmend auf intermittierende erneuerbare Energien angewiesen ist. Dies ist jedoch ein Bereich, in dem Lithium‑Ion möglicherweise nicht die beste verfügbare Chemie ist, wie wir in „The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“ diskutierten.

Weiterentwicklung der Batterietechnologie

Ein Problem der enormen Nachfrage nach Lithium‑Ion‑Batterien durch EVs ist, dass sie gleichzeitig eine Explosion der Nachfrage nach den darin enthaltenen Metallen verursacht hat.

Dies hat zu extremer Volatilität der Lithiumpreise geführt, wobei die Lithiumbergbauindustrie schnelle Zyklen von Unter‑ und Überproduktion durchläuft.

Andere Metalle, wie Kobalt, könnten noch problematischer sein, da ihre Massenproduktion mit Kinder‑ und Sklavenarbeit sowie anderen Menschenrechtsverletzungen verbunden ist.

Aus diesen Gründen identifizierte John Goodenough bereits 1996 Lithium‑Eisen‑Phosphat (LFP) als kobaltfreie Alternative („LiFePO4: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries“).

LFP erwies sich als nachhaltigere und günstigere Alternative zu klassischen Lithium‑Ion‑Batterien, wenn auch mit geringerer Energiedichte. Bis 2022 machten LFP‑Batterien 31 % des EV‑Batteriemarktes aus. Sie werden auch häufig in Heimspeichern eingesetzt.

Weitere Alternativen kommen auf den Markt, insbesondere Natrium‑Ion‑Batterien (die vollständig auf Lithium verzichten und stattdessen günstigeres Salz nutzen) und Festkörperbatterien.

Eine Übersicht über mobilitätsorientierte Batterietechnologie finden Sie in „The Future of Mobility – Battery Tech“.

Dazu gehören Glaskondensatoren, das letzte Batteriekonzept, an dem Dr. Goodenough vor seinem Tod 2023 arbeitete, mit erstaunlichen Behauptungen wie der doppelten Energiedichte herkömmlicher Lithium‑Ion‑Batterien, der Möglichkeit, 23.000 mal aufgeladen zu werden, sowie einer Ladezeit von wenigen Minuten.

Investieren in Batterietechnologie

Lithium‑Ion‑Batterien haben die Welt bereits mehrfach verändert, von der Möglichkeit, fortschrittliche Elektronik überall mitzunehmen, bis hin zur Stromversorgung von Autos ausschließlich mit Elektrizität. Sie könnten dies erneut tun, oder andere Batterietypen, indem sie ein zu 100 % erneuerbares Stromnetz ermöglichen oder die Elektrifizierung von Flugzeugen ermöglichen, sobald eine ausreichend hohe Energiedichte erreicht ist.

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

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Batterieunternehmen auszuwählen, können Sie auch Biotech‑ETFs wie den Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT) oder den WisdomTree (WT ) Battery Solutions UCITS ETF in Betracht ziehen, die eine breitere Diversifizierung ermöglichen, um vom wachsenden Batteriemarkt zu profitieren.

Batterieunternehmen

1. CATL (300750.SZ)

CATL ist der weltweite Marktführer in der Batteriefertigung und produziert mehr als die Hälfte des globalen Batteriemengen.

Das Unternehmen ist in jedem Schritt der Batteriefertigungskette präsent und ein Vorreiter in der Batterietechnologie.

Dies gilt auch für Lithium‑Ion‑Batterien, bei denen das Unternehmen seit langem eine etablierte Führungsposition innehat.

CATL hat zudem beeindruckende Fortschritte bei mehreren anderen Batterietypen angekündigt:

• A 12.000‑Zyklen‑Ultra‑Langzeit‑Batterie für großskalige Energiespeicherung, mit 18.000 Zyklen als langfristiges Ziel.
• Eine 700 km LFP (Lithium‑Eisen‑Phosphat) Batterie, die 400 km Reichweite in 10 Minuten lädt.
• Eine 500 Wh/kg Batterie, die potenziell die Elektrifizierung von Passagierflugzeugen ermöglicht.
• Massenproduktion von 160 Wh/kg Natrium‑Ion‑Batterien, mit Ziel von 200 Wh/kg.

Kürzlich wurde angekündigt, dass das Unternehmen das Problem der Dendritbildung bei Lithium‑Metall‑Anoden im Wesentlichen gelöst hat, dank einer 3D‑Struktur, die deren Entstehung verhindert.

Das Unternehmen wird im Markt für großskalige Batteriesysteme aktiv, mit der Ankündigung der Leistung seines TENER‑Systems. Es ist „das weltweit erste massenproduzierbare Energiespeichersystem mit null Degradation in den ersten fünf Jahren Nutzung in Peking, China“.

Enorme Energie in kompaktem Raum: 20‑Fuß‑Container mit 6,25 MWh Kapazität.
Angetrieben von modernsten Technologien und extremen Fertigungskapazitäten hat CATL die Herausforderungen durch hochaktive Lithiummetalle in Null‑Degradations‑Batterien gelöst, was effektiv hilft, thermisches Durchgehen durch Oxidationsreaktionen zu verhindern.

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

Dank seiner Größe, Fokussierung und F&E‑Erfolge wird CATL voraussichtlich an vorderster Front der Batterieneinnovation, -herstellung und -recycling stehen. Das macht das Unternehmen zu einem wichtigen Partner für EV‑Hersteller, darunter Tesla, NIO, Ford, Stellantis usw.

2. BYD (BYDDY)

Als langjähriger Herausforderer von Tesla im EV‑Markt ist BYD zu einem ernsthaften Konkurrenten nicht nur für Tesla, sondern für praktisch alle Automobilhersteller geworden.

Das Unternehmen entwickelte sich von seinem Ursprung als Lieferant von Lithium‑Ion‑Handybatterien zu einem Anbieter, der fast ebenso viele EVs wie Tesla in China (dem weltweit größten EV‑Markt) verkauft und das meistverkaufte EV in Thailand, Schweden, Australien, Neuseeland, Singapur, Israel und Brasilien ist.

BYD ist ein wesentlicher Grund dafür, dass China 2023 plötzlich zum weltweit größten Autoexporteur wurde und Japan überholte. Die aggressive Auslandsexpansion des Unternehmens wird zudem durch neue Fabriken, etwa in Ungarn, unterstützt.

Mit der Einführung von Autos im Preisbereich von 10.000‑12.000 $ wie dem Seagul, die Natrium‑Batterien nutzen, könnte sich ein völlig neuer Markt für BYD‑EVs öffnen.

Nach wie vor ein Batteriehersteller im Kern ist BYD ein ernstzunehmender Herausforderer von CATL im LFP‑ (Lithium‑Eisen‑Phosphat‑) Batteriemarkt, mit einem Marktanteil von 41,1 % in China (gegenüber 33,9 % von CATL).

Die „Flut“ günstiger EVs, die BYD in die europäischen und amerikanischen Märkte bringt, wird wahrscheinlich auf ein gewisses Maß an Protektionismus stoßen (auch über die kürzlich verhängten Zölle hinaus), was das Wachstum von BYD behindern könnte.

Gleichzeitig sind günstige chinesische EVs bereits ein großer Erfolg im Rest der Welt, wo es kaum einheimische Automobilhersteller gibt, die geschützt werden müssen, einschließlich ganz Südamerika, Russland, Afrika, dem Nahen Osten und Südostasien.

Dies entspricht mehreren Milliarden potenziellen Kunden für BYD, die in Ländern leben, die ein geopolitisches Gleichgewicht anstreben und gute Beziehungen sowohl zum Westen als auch zu China pflegen wollen, sodass es unwahrscheinlich ist, dass zu starke protektionistische Hürden entstehen.

Und selbst in der EU oder den USA könnte BYD wettbewerbsfähig bleiben, dank der deutlich höheren Preise lokaler EV‑Hersteller im Vergleich zu den Preisen in China sowie der Lokalisierung der Produktion außerhalb Chinas für diese Märkte, zum Beispiel in Osteuropa, Mexiko oder der Türkei.