Hassan Zaheer | 27. Februar 2019
Li-Ion ist mit all seinen Varianten heute der am häufigsten verwendete Batterietyp.
Der Anteil der verschiedenen Li-Ionen Batterietypen beträgt 40%.
Es wird erwartet, dass diese Zahl aufgrund des zunehmenden Einsatzes in Elektrofahrzeugen und der Unterhaltungselektronik noch weiter zunehmen wird.

Aufgrund seiner ständig zunehmenden Bedeutung in der Elektromobilität, Unterhaltungselektronik und Spezialanwendungen wie Marine und Verteidigung wird diese Technologie intensiv erforscht. Im Folgenden sind einige Fortschritte und Trends in der Li-Ionen-Akkutechnologie aufgeführt, von denen erwartet wird, dass sie die Marktdynamik erheblich beeinflussen:
Festkörperbatterien
Eines der am aktivsten diskutierten Themen in der Energiespeicherbranche ist heute die Festkörper-Li-Ion-Batterie. Es ist eine Variante der Li-Ion-Technologie, bei der anstelle von Flüssig / Polymer-Elektrolyten Festelektrolyte verwendet werden. Festkörperbatterien bieten gegenüber herkömmlichen Li-Ionen einige entscheidende Vorteile. Dies beinhaltet eine sehr hohe Energiedichte, eine kompakte Zellgröße zwischen 3 und 4 Mikron (anstelle von 20 und 30 Mikron) und die Möglichkeit eines schnellen Ladens ohne Gefahr der Dendritenbildung.
All dies macht die Technologie für die Automobilindustrie lukrativ. Sie sucht nach Batterien, die sehr hohen Laderaten widerstehen können, wodurch die Ladezeit für EV-Besitzer verkürzt und der Platzbedarf in einem Auto verringert wird. Dies ist der Grund, warum einige wichtige Hersteller diese Batterien bereits verwenden. BMW erwägt die Verwendung von Festkörperbatterien für ihre neueren Modelle. Toyota plant, bis 2022 Fahrzeuge mit Festkörperbatterien herzustellen. In Zukunft werden dies die Batterien sein, die auf unseren Straßen und in unseren Garagen in massiven Mengen geparkt werden .
Nicht-Kupfer-Anoden
Eine weitere Neuerung sind die nicht-Kupferanoden für die Batterie. Seit den 1990er Jahren wird vorwiegend mit Graphit beschichtetes Kupfer als Anode in Li-Ion-Batterien verwendet. Zwei Anodentypen können Kupferanoden ersetzen:
Lithium-Titanat (LTO) -Anode: LTO-Anoden haben eine höhere Leistungsdichte und können eine höhere Anzahl von Lade- / Entladezyklen als Kupfer-Anoden bieten. Diese Anoden arbeiten mit niedrigeren Spannungen und bieten eine niedrige Energiedichte. Dies macht sie ideal für Anwendungen mit weniger Platzbeschränkung, die jedoch eine hohe Lade- / Entladerate erfordern. Ein Beispiel könnten Netzanwendungen sein, die eine hohe Leistungsdichte erfordern (Frequenzregulierung, erneuerbare Integration), bei der mehrere Batterien in einem System ohne strikte Platzersparnis kombiniert werden können.
Vor kurzem hat Toshiba seinen 50Ah-Prototyp dieses Batterietyps vorgestellt.
Das Unternehmen gibt an, nach 5000 Zyklen 90% seiner Kapazität zu behalten.
Siliziumanode: Eine andere Art, die erforscht wird, ist eine mit Graphit beschichtete Siliziumanode. Diese Anodentechnologie bietet ein hohes Energiedichte- und Leistungspotential und verspricht gleichzeitig niedrigere Kosten. Samsung SDI und Panasonic arbeiten bereits mit dieser Technologie. Diese Technologie befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium und würde eine längere Markteinführungszeit als LTO-Anoden erfordern.
NMC-811-Kathode zur Beherrschung des Li-Ionen-Marktes
Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) -basierte Kathoden werden zunehmend Lithiumeisenphosphat- (LFP) - und Lithium-Cobaltoxid- (LCO) -Kathoden ersetzen. Bisher war die Zurückhaltung bei der Verwendung dieser Mischung aus Kathodenmaterial auf den höheren Cobalt-Bedarf zurückzuführen. NMC-811 (8 Teile Nickel, 1 Mangan, 1 Kobalt) mit seiner geringeren Abhängigkeit von Cobalt bietet jedoch einen großen Vorteil für die Hersteller.
Viele Unternehmen wechseln jetzt zu NMC-811. Zum Beispiel erhöhen LG Chem und SK Innovation ihre Produktionskapazität für NMC-811, während Tesla diese Kathodentechnologie bereits in der Tesla Powerwall einsetzt.
Verwendung von Nanomaterialien (Graphen)
Graphen, ein Nanomaterial, wird zunehmend für den Einsatz in Batteriezellen erforscht. Einige Eigenschaften von Graphen, wie Härte, Flexibilität und sehr hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, machen es für den Einsatz in Batteriezellen geeignet. Vor kurzem gelang Samsung SDI mit seiner „Graphene Ball Technology“ ein Durchbruch, bei der sowohl die Anode als auch die Kathode mit einer Graphen-Silica-Schutzschicht bedeckt waren.
Samsung SDI behauptet, dass durch diese Technologie die Akkukapazität bei einer 5-fach schnelleren Ladezeit um etwa 45% erhöht wurde. Die Toyohashi-Universität in Japan hat mit Phosphor eingekapselte Nano-Röhrenelektroden vorgeschlagen. Die Behauptung ist, dass sie die Ladekapazität während des Experimentierens verdoppelt haben und die Zellen ihre strukturelle Integrität nach wiederholten Ladungen beibehalten haben.
Kundenspezifische Zellen und Module
Eine neue Nische auf dem Markt ist die Entwicklung und Herstellung von kundenspezifischen Li-Ion-Zellen und -Modulen für spezielle Anwendungen. Li-Ion für Elektromobilität und Unterhaltungselektronik ist nur ein Teil des Marktes. Es gibt eine ganze Reihe von Anwendungen, von der Robotik bis zur Schifffahrt und Verteidigung, bei denen Standard-Li-Ion-Batterien nicht ausreichen.
Einige Hersteller wie Customcells und Cell-con konzentrieren sich auf diese wachsende Nische und arbeiten mit Kunden zusammen, um anwendungsspezifische Batteriemodule vom Prototyp bis zur Serienreife zu fertigen.
Rohstoffversorgung
Eine weitere Einschränkung für Batteriehersteller ist die Beschaffung von Rohstoffen. Primäre Rohstoffe für Lithium-Ionen-Batterien sind Lithium, Kobalt, Graphit, Nickel und Aluminium. Davon gelten Lithium und Kobalt als knapp. Aber ist diese Sorge wirklich berechtigt?
Kobalt: Nahezu alles Kobalt wird als Nebenprodukt von anderen Metallen wie Nickel oder Kupfer abgebaut. Dies bedeutet, dass die Produktion in erster Linie von den Märkten für die wichtigsten Metalle angetrieben wird, nicht von Kobalt. Diese Situation schränkt die Flexibilität der Produzenten ein, die als Reaktion auf Änderungen der Nachfrage abgebaute Cobaltmenge anzupassen, und kann zu Überangeboten oder Engpässen führen.
Von 2009 bis 2015 war die weltweite Cobalt-Produktion höher als der Verbrauch, da die Produktion von neuen Projekten und die Erweiterung der bestehenden Betriebsabläufe zum globalen Angebot beitrug. Dies änderte sich jedoch und bis Mitte 2016, als die steigende Nachfrage nach Batterien zu einem Markt mit Angebotsbeschränkungen führte. Anfang 2018 hat sich die Situation nicht geändert.
Nach Einschätzung der Industrie wird sich dies bis 2020 fortsetzen.
Der Hauptlieferant von Cobalt ist weltweit die Demokratische Republik Kongo (DRC), die laut EU- oder US-Daten 51% bis 53% des Angebots liefert. Es folgen Länder wie China, Russland, Kanada und Australien mit jeweils 5-6%.
Der Preis für Cobalt ist seit Mitte 2016 in die Höhe geschossen und erreichte über 80.000 USD pro Tonne (MT). Etwas weiter zurückblickend war die Situation 2008 ähnlich, als die Demokratische Republik Kongo ein Exportmoratorium aufgestellt hatte und die Preise auf 115.000 USD / t angestiegen waren, bevor das Verbot aufgehoben wurde. Das Land zerrt die Preise weiter. Der jüngste Fall ist die Erhöhung der Lizenzgebühren von 2% auf 10% im Januar 2018. Allerdings ist der Preis für Cobalt für viele Elektrofahrzeuge geringer. Dies kann bestätigt werden, da China, der Hauptnutzer von LCO in EV-Anwendungen, nun auf Ternärzellen umstellt, die aus LMO, NCA und NMC bestehen. Innerhalb der NMC-Klasse von Batterien wird die 811-Mischung, bei der 50% weniger Co erforderlich sind als bei der 622, zum Mainstream, da LG Chem und NK Innovation in den letzten sechs Monaten neue Produktionslinien aufgebaut haben.
Lithium:
Lithium wurde in verschiedenen aktuellen und weniger aktuellen Studien als eines der kritischen oder nahe kritischen Elemente aufgeführt. Zwischen 1975 und 2005 stieg die weltweite Lithiumproduktion um einen Faktor von etwa fünf, und es wird mit einem weiteren Wachstum der Angebotsbasis gerechnet. Obwohl das Lithium-Dreieck (Argentinien, Chile und Bolivien) größtenteils in Australien produziert wird, beherbergen es 75% der weltweiten Lithiumressourcen, wobei Chile bei der Gewinnung aus Salzlösungen führend ist.
PTR hält das Element nicht für selten oder knapp, da die weltweiten Lithiumressourcen auf über 39 Millionen Tonnen geschätzt werden. Dies reicht aus, um die erwartete Nachfrage bis zum Jahr 2100 zu decken. Darüber hinaus werden verschiedene Ansätze unternommen, um innovative Wege zu finden um den steigenden Lithiumbedarf zu decken, indem nach Alternativen wie der Gewinnung von Lithium aus recycelten Batterien und der Verwendung von Natrium anstelle von Lithium zur Herstellung von Na-Ionen-Batterien gesucht wird. Natrium ist in den meisten Teilen der Welt viel leichter verfügbar als Lithium.
Recycling am Ende des (Akku-)Lebens
Ein wichtiger Trend, der hier erwähnenswert ist, ist der zunehmende Fokus auf das Recycling von Altbatterien.
Das Wachstum von Elektrofahrzeugen könnte dazu führen, dass viele Batterien recycelt werden. Es wird geschätzt, dass weltweit bis zum Jahr 2030 elf Millionen Tonnen Li-Ion-Batterien recycelt werden würden. In der EU wurden Verordnungen erlassen, die das Recycling von Batterien zu einer hohen Priorität machen, indem Batteriehersteller die Kosten für die Sammlung, Behandlung und das Recycling finanzieren müssen Batterien. Bis jetzt werden nur 5% der gesamten Batterien in der EU recycelt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, recycelte Batterien zu verwenden. In einigen Fällen erfolgt die Schwellung zur Rückgewinnung von Edelmetallen, einschließlich Kobalt und Nickel, und die weitere Verarbeitung wird zur Gewinnung von Lithium durchgeführt. In anderen Fällen werden Batterien nach der Verwendung in einer Anwendung aufgearbeitet / wiederaufbereitet, um sie in einer anderen wiederzuverwenden. Laut der EV-Industrie liegt die „verschlechterte“ Batterie des Autos beispielsweise immer noch bei etwa 80% ihrer Kapazität. Diese Batterien können direkt mit minimalem Verarbeitungsaufwand in anderen Anwendungen für die Energiespeicherung von Haushalten oder von UPS verwendet werden. Nissan hat sich bereits mit Eaton zusammengetan, um die Autobatterien für Energiespeicheranwendungen zu verwenden.
Wer führt die Forschung und Entwicklung an? (Erkenntnisse für den Netzsektor)
Der größte Teil der FuE-Ausgaben im Batteriemarkt (rund 90%) wird vom Mobilitätssektor getragen, der eine starke Verlagerung in Richtung Elektrofahrzeuge bewirkt. Als schnelllebige Industrie mit Entwicklungszyklen von vier bis fünf Jahren verwendet Automotive im Allgemeinen die neuesten und besten Produkte, wobei der Fokus auf reduzierten Kosten liegt. Da die meisten Batterien extern gefertigt werden, geben diese Batteriehersteller beträchtliche Mittel für Forschung und Entwicklung aus, um die Technologie weiterzuentwickeln und zu verbessern. Diese Fortschritte können auch von anderen Endanwendungen genutzt werden, wenn Sie mit diesen Batterieherstellern zusammenarbeiten.
Beispielsweise kann die Stromnetzbranche von Fortschritten im Automobilsektor oder, wie wir es beschreiben, von der Garage bis zum Netz nutzen. Unternehmen, die im Netzsektor arbeiten, müssen mehr mit der Automobilindustrie zusammenarbeiten, um die Batterietechnologie für das Netz zu nutzen. Insbesondere mit der zunehmenden E-Mobilität nimmt die Überlappung zwischen dem Netz- und dem Automobilsektor zu. Es werden immer mehr Piloten für V2G-basierte Lösungen installiert, die sich auf Anwendungen wie Frequenzregulierung und Peak-Shaving, z. Sauerstoffinitiative in Kalifornien und die Tennet-Vandebron-Partnerschaft in den Niederlanden.
Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Batterieanforderungen der Netz- und Automobilbranche. In fast allen Fällen muss das Automobil strengere Anforderungen erfüllen als das Netz. Dies ist ein Indiz dafür, dass dieselbe Technologie auch im Netzsektor eingesetzt werden kann, wodurch Milliarden von F & E-Kosten von Grund auf vermieden werden.
In einigen Fällen findet diese Zusammenarbeit bereits statt. Tesla EV liefert auch seine Powerwall zur Energiespeicherung. In Zukunft besteht das Potenzial, dass mehr Automobilhersteller ähnliche Lösungen anbieten oder mit netzfokussierten Unternehmen zusammenarbeiten, um Lösungen für alternative Märkte bereitzustellen. Wir sind der Meinung, dass die Marktgewinner am Ende diejenigen mit maximaler Zusammenarbeit und mehreren Partnerschaften sind, und nicht nur diejenigen mit der besten Technologie.
Überblick über den Batteriemarkt - Versorgungslinse
Kapazitätsausnutzung
Trotz der steigenden Nachfrage nach Batterien ist die Nutzung der Fertigungskapazität für Batteriezellen relativ gering. Weltweit sind diese Produktionsanlagen zu 60-70% ausgelastet. Dies wird sich angesichts der steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und der Netzspeicherung in Zukunft voraussichtlich verbessern. Angesichts der Ankündigung mehrerer neuer Gigafabriken wird jedoch erwartet, dass die maximale Auslastung weiterhin unter 80% bleibt.
Anbieter Marktanteile
Aus Sicht der Zulieferer dominieren asiatische Hersteller, wobei LG Chem (Südkorea), Panasonic (Japan), Samsung SDI (Südkorea), AESC (Japan), BYD (China) und CATL (China) mit rund zwei Dritteln vertreten sind des Marktanteils. Es gibt jedoch einen zunehmenden Druck, die Batterieproduktion in Europa zu lokalisieren, um die Abhängigkeit von asiatischen Herstellern zu verringern. Unternehmen wie die BMZ-Gruppe in Deutschland und Northvolt in Schweden errichten oder erweitern bestehende Produktionsanlagen, um der wachsenden Nachfrage nach Li-Ion-Speicherlösungen in Europa gerecht zu werden.
https://www.tdworld.com/energy-storage/...i-ion-batteries-garage-grid |
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