Natrium-Ionen-Batterien sind im Aufschwung, aber Lithium-Ionen könnten dank Indium weiterhin bestehen bleiben

Die Wiedergeburt von Lithium-Ionen?

Eine kürzlich von Forschern der Cornell University gemachte Entdeckung könnte die Lithium-Ionen-Technologie zurück in das Rennen um die perfekte Batterietechnologie bringen. Sie haben herausgefunden, dass die Verwendung eines Indium-Anodenmaterials extrem schnelles Laden von Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen würde.

Lithium-Ionen-Batterien haben bisher das Design von Batterien für kleine Elektronikgeräte und frühe Elektrofahrzeugmodelle dominiert. Allerdings haben einige Einschränkungen der Technologie die Branche dazu veranlasst, nach Alternativen zu suchen, darunter Natrium-Ionen- oder Festkörperbatterien. Durch den Einsatz von Indium würde ein zentrales Problem für die Massenadoption von Elektrofahrzeugen – die Reichweitenangst – beseitigt. Die meisten EV‑Nutzer sorgen sich, dass die Batterie leer wird, bevor sie eine Ladestation erreichen. Deshalb suchen sie nach einem sehr leistungsstarken Batteriepaket, das jedoch Gewicht und Kosten des Fahrzeugs erhöht.

Ein weiteres Problem ist die Zeit, die das Laden der Batterie benötigt. Das kann bei Langstreckenfahrten oder kommerziellen Anwendungen ein ernstes Problem darstellen. Außerdem verringert es die Verfügbarkeit von Ladestationen, da jeder „volle Tank“ Zeit beansprucht und den EV‑Lader unzugänglich macht.

Daher könnte eine schneller ladbare Lithium-Ionen-Batterietechnologie dazu beitragen, die Kosten von Elektrofahrzeugen zu senken, die Reichweitenangst zu mindern und die Leistungsfähigkeit des Ladenetzes zu verbessern.

Indium‑Batterien zur Rettung?

Die Forschung wurde vom Team von Lynden A. Archer an der Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering der Cornell University durchgeführt, mit dem Hauptautor Shuo Jin, einem Doktoranden der Chemie‑ und Biomolekularen Ingenieurwissenschaften.

In ihrer Veröffentlichung „Fast-charge, long-duration storage in lithium batteries“ erklären sie ihren Ansatz. Sie konzentrierten sich auf die Kinetik (Geschwindigkeit) elektrochemischer Reaktionen, insbesondere die „Damköhler‑Zahl“. Durch die Betrachtung von Festkörper‑Transportraten stellten sie fest, dass Indium ein sehr guter Kandidat für Schnellladebatterien ist. Derzeit wird Indium hauptsächlich in LCD‑Bildschirmen und anderen High‑Tech‑Anwendungen wie Photovoltaik, Kryotechnik und Steuerstäben von Kernreaktoren verwendet.

Indium ist ein gutes Metall für den Einsatz in Anoden wegen seiner schnellen Diffusion und langsamen Oberflächenreaktionskinetik, was sich in schnellem Laden der Batterie niederschlägt.

Indium – ein erster Schritt zu KI‑designten Batterien?

Indium‑Anoden könnten dazu beitragen, die Reichweitenangst zu verringern, was wiederum den Bedarf an sehr großen und schweren Batteriepacks reduzieren würde. Allerdings ist Indium selbst ein sehr schweres und dichtes Metall.

Deshalb betrachtet Pr Archer die Entdeckung seines Teams über Indium ebenfalls als Ausgangspunkt.

“Darin liegt eine Chance für die Modellierung mittels computergestützter Chemie, vielleicht unter Einsatz generativer KI‑Werkzeuge, um zu erfahren, welche anderen leichten Materialchemien dieselben intrinsisch niedrigen Damköhler‑Zahlen erreichen könnten.

Zum Beispiel, gibt es Metalllegierungen, die wir noch nie untersucht haben und die die gewünschten Eigenschaften besitzen?”

Die Nutzung von KI‑Fortschritten zur Findung neuer Batteriematerialien ist eine realistische Idee, wie die Forscher von PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) gezeigt haben. In unserem Artikel „Changing the Timeline for Discoveries through Use of Artificial Intelligence (AI)“ haben wir erörtert, wie sie mehrere prädiktive Chemie‑KIs einsetzten, um 32 Millionen Ideen in weniger als 80 Stunden zu sichten, was zur Entdeckung eines neuen Batterie‑Elektrolyten führte.

Vielleicht kann dieselbe Technik also verwendet werden, wobei man sich auf die Damköhler‑Zahl konzentriert, um Materialien zu finden, die ebenso gut wie Indium funktionieren, aber leichter sind.

Batterie‑Lebenszyklus‑Bestände

1. Arcadium Lithium (Fusion von Allkem + Livent)

Arcadium ist das Ergebnis einer Fusion von Gleichen zwischen den Lithiumbergbau‑Führern Allkem und Livent und wird damit zum drittgrößten Lithiumproduzenten der Welt. Die Fusion schafft ein Unternehmen, das in allen Schritten der Lithiumproduktion und -verarbeitung präsent ist.

Die Produktion des Unternehmens befindet sich hauptsächlich in Argentinien, im Lithium‑Dreieck (Chile, Argentinien, Bolivien) in Form von Sole, mit etwas Hartgesteins‑Lithium in Kanada und Australien.

Quelle: Arcadium

Lithium ist ein Rohstoff, der kürzlich unter niedrigen Preisen gelitten hat, da große Automobilhersteller wie Ford oder GM ihre EV‑Pläne verlangsamt haben. Gleichzeitig werden chinesische EV‑Hersteller wie BYD beschuldigt, ausländische Märkte mit kostengünstigen EVs zu überschwemmen, was in den kommenden Jahren eine neue Welle der EV‑Akzeptanz auslösen könnte. Zum Beispiel der 10.000 €‑BYD Seagull, der dieses Jahr in Europa eintrifft.

Daher könnte die aktuelle Preis­schwäche bei Lithium nicht von Dauer sein.

2. CATL

CATL ist der globale Marktführer in der Batteriefertigung und produziert mehr als die Hälfte des weltweiten Batteriemengen. Das Unternehmen ist in jedem Schritt der Lieferkette der Batteriefertigung präsent und ist ein Vorreiter in der Batterietechnologie.

Das gilt auch für Lithium‑Ion‑Batterien, bei denen das Unternehmen seit langem führend ist. CATL hat zudem beeindruckende Fortschritte bei mehreren anderen Batterietypen angekündigt:

• Eine 12.000‑Zyklen ultra‑lang‑lebige 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 auflädt.
• Eine 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 außerdem investiert €3,25 Mrd. in Batterierecycling‑Kapazitäten in China. CATL hat bemerkenswerterweise eine herausragende Rückgewinnungsrate von 99,6 % für Nickel, Kobalt, Mangan und 91 % für Lithium erreicht.

Dank seiner Größe, seines Fokus und seiner F&E‑Erfolge wird CATL voraussichtlich an der Spitze von Batterieneinnovation, -herstellung und -recycling stehen. Das macht das Unternehmen zu einem Schlüsselpartner für EV‑Hersteller, darunter Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis usw.

3. BYD

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 Handy‑Batterien zu einem Anbieter, der zu dem Verkauf von fast ebenso vielen EVs wie Tesla in China (dem weltweit größten EV‑Markt) und dem meistverkauften EV in Thailand, Schweden, Australien, Neuseeland, Singapur, Israel und Brasilien.

BYD ist ein großer 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 wie in Ungarn, vorangetrieben. Und mit der Einführung von Autos im Preisbereich von 10.000‑12.000 $ wie dem Seagull könnte ein völlig neuer Markt für BYD‑EVs eröffnet werden.

Quelle: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Im Kern ein Batterielieferant bleibt BYD ein ernsthafter Herausforderer von CATL im LFP‑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 mit einem gewissen Maß an Protektionismus begegnet werden, 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.

Das bedeutet mehrere Milliarden potenzielle Kunden für BYD, die in Ländern leben, die bestrebt sind, ein geopolitisches Gleichgewicht zu wahren und gute Beziehungen sowohl zum Westen als auch zu China zu pflegen, sodass es unwahrscheinlich ist, dass zu starke protektionistische Barrieren entstehen.