Amerikanische und europäische Start-ups rennen um die Entwicklung neuer Batterien aus zwei reichlich vorhandenen, billigen Materialien – Natrium und Schwefel –, die Chinas Batteriedominanz verringern, drohende Lieferengpässe lindern und zu Elektrofahrzeugen für den Massenmarkt führen könnten.
Die heutigen Elektrofahrzeuge werden mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben – hergestellt aus Lithium, Kobalt, Mangan und hochwertigem Nickel – deren Preise in die Höhe geschossen sind. Westliche Hersteller kämpfen um den Anschluss an die asiatischen Konkurrenten und die Autobauer rechnen Mitte des Jahrzehnts mit Lieferengpässen in der Produktion.
Die Elektrofahrzeuge der Zukunft – diejenigen, die nach 2025 ankommen – könnten auf Natrium-Ionen- oder Lithium-Schwefel-Batteriezellen umsteigen, die bis zu zwei Drittel billiger sein könnten als die heutigen Lithium-Ionen-Zellen.
Ihr Versprechen hängt jedoch von potenziellen Durchbrüchen in der Elektrochemie durch Start-ups wie Theion aus Berlin und Faradion aus Großbritannien sowie Lyten in den USA ab.
Die neuere Batteriechemie hat Probleme, die überwunden werden müssen. Natrium-Ionen-Batterien speichern noch nicht genug Energie, während Schwefelzellen schnell korrodieren und nicht lange halten.
Dennoch haben mehr als ein Dutzend Start-ups Investitionen in Millionenhöhe sowie staatliche Zuschüsse angezogen, um neue Arten von Batterien zu entwickeln.
Derzeit dominiert China die Batterieproduktion, einschließlich des Abbaus und der Veredelung von Rohstoffen.
Benchmark Mineral Intelligence, ein in Großbritannien ansässiges Beratungsunternehmen, schätzt, dass China über 75 Prozent der weltweiten Kobalt-Raffinationskapazität und 59 Prozent seiner Lithium-Verarbeitungskapazität verfügt.
„Wir sind immer noch von einer Materiallieferkette aus China abhängig“, sagte James Quinn, Geschäftsführer des britischen Natrium-Ionen-Batterie-Start-ups Faradion, das von Innovate UK mehr als 1 Million US-Dollar an staatlichen Zuschüssen erhielt, bevor es von Indian gekauft wurde Konglomerat Reliance im vergangenen Jahr für 117 Millionen Dollar.
„Wenn Sie sich die globalen geopolitischen Auswirkungen ansehen, ist dies eine Herausforderung für die Energiesicherheit, die wirtschaftliche Sicherheit und die nationale Sicherheit.“
Auch asiatische Batteriegiganten arbeiten an einer neuen Chemie. Chinas CATL hat angekündigt, 2023 mit der Produktion von Natrium-Ionen-Zellen zu beginnen. Koreas LG Energy Solution will bis 2025 mit der Herstellung von Lithium-Schwefel-Zellen beginnen.
Das teuerste Einzelelement einer EV-Batterie ist die Kathode, die bis zu einem Drittel der Kosten einer Batteriezelle ausmacht.
Die meisten EV-Batterien verwenden heute eine von zwei Arten von Kathoden: Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) oder Lithium-Eisen-Phosphat (LFP). NCM-Kathoden können mehr Energie speichern, verwenden jedoch teure Materialien (Nickel und Kobalt). LFP-Kathoden speichern normalerweise nicht so viel Energie, sind aber sicherer und tendenziell weniger teuer, da sie Materialien verwenden, die häufiger vorkommen.
Die Kosten für wichtige Kathodenmaterialien wie Nickel und Kobalt sind in den letzten zwei Jahren in die Höhe geschossen. Aus diesem Grund hoffen so viele Unternehmen, billigere und häufiger vorkommende Materialien wie Natrium und Schwefel zu ersetzen, wenn ihre technischen Grenzen überwunden werden können.
„Natriumionen haben definitiv einen Platz, insbesondere für stationäre Speicher und Low-End-Fahrzeuge in kostensensiblen Märkten wie China, Indien, Afrika und Südamerika“, sagt Berater Prabhakar Patil, ein ehemaliger Geschäftsführer von LG Chem.
„Die Einführungskosten für Lithium-Schwefel werden wahrscheinlich höher sein – obwohl es das Potenzial hat, die niedrigsten Kosten zu sein – was die Unterhaltungselektronik zur ersten Anwendung macht.“
Das in Michigan ansässige Amandarry und das britische Start-up AMTE Power entwickeln Natrium-Ionen-Batterien, die Natriumchlorid – im Grunde Speisesalz – als Hauptkathodenbestandteil verwenden. Sie kommen ohne Lithium, Kobalt oder Nickel aus, die drei teuersten Batteriebestandteile.
Jeff Pratt, Geschäftsführer des UK Battery Industrialization Centre – einer staatlich finanzierten Fabrik im Wert von 130 Millionen Pfund (153 Millionen US-Dollar), die Produktionslinien an Start-ups vermietet, um die Batteriechemie zu testen – sagte, er versuche, ein Natrium-Ionen-Start- ups Zellen in einen vollgepackten Produktionsplan, weil es „strategisch wichtig“ für die Hoffnungen Großbritanniens war, bei der Entwicklung neuer, besserer Batterien an vorderster Front zu stehen.
Die US-Firmen Lyten und Conamix, die deutsche Theion und die norwegische Morrow entwickeln Lithium-Schwefel-Kathoden, die noch Lithium in kleineren Mengen benötigen, aber weder Nickel noch Kobalt.
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Durch die Verwendung allgegenwärtiger Kathodenmaterialien – Schwefel wird häufig in Düngemitteln verwendet und ist daher billig wie Salz – behaupten diese Start-ups, dass die Batteriekosten um bis zu zwei Drittel gesenkt werden könnten, wodurch Elektrofahrzeuge möglicherweise über die Mittelklasse hinaus erschwinglich werden.
Aktuelle Batteriepakete für Elektrofahrzeuge kosten in der Regel zwischen 10.000 und 12.000 US-Dollar.
„Wenn wir die Ziele erreichen können, die wir mit einigen der größten Autohersteller der Welt festgelegt haben, dann geht es für uns ins Rennen“, sagte Conamix-Chefin Charlotte Hamilton.
Die Batterie-Start-ups sagen, dass sie mit großen Autoherstellern sprechen, von denen einige aktiv neue Batterien testen, die noch vor Ende des Jahrzehnts in Elektrofahrzeugen für den Massenmarkt auf den Markt kommen könnten. Die Autokonzerne halten sich gerne Optionen offen.
„Im Laufe der Zeit immer mehr [battery] Die Chemie wird herauskommen“, sagte Linda Zhang, Chefingenieurin des elektrischen Pick-up-Trucks F150 Lightning von Ford. „Es wäre dumm, keinen Vorteil zu ziehen.“
Auf dem Battery Day 2020 von Tesla sagte Vorstandschef Elon Musk, dass ein „dreistufiger Ansatz“ für Lithium-Ionen-Batterien mit unterschiedlichen Materialien erforderlich sei, um „wirklich erschwingliche“ Elektrofahrzeuge – hauptsächlich mit eisenbasierten LFP-Batteriezellen – sowie größere zu bauen , leistungsstärkere und teurere Elektrofahrzeuge mit nickelbasierten NCM- oder NCA-Zellen mit Kobalt- oder Aluminiumkathodenmaterial.
Batterieentwickler hoffen, dass sie das Angebot der Autoindustrie um Natrium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien erweitern können.
Duncan Williams, Geschäftsführer des Beratungsunternehmens Nomura Greentech, sagte, die jüngsten Entdeckungen würden die Lücke bei Themen wie Energiedichte und Haltbarkeit schließen, „also würden wir erwarten, dass diese beiden Alternativen in Zukunft Marktanteile gewinnen werden“.
Das in Michigan ansässige Unternehmen Amandarry produziert bereits Natrium-Ionen-Zellen in seinem Werk in Haining, China, so dass diese Zellen nicht für Anreize nach dem US Inflation Reduction Act in Frage kommen.
Das Unternehmen sagt, es werde auch ein Werk in Nordamerika bauen.
Partnerin Amy Chen sagt, dass Amandarrys erste Transportanwendung wahrscheinlich elektrische Zweiräder sein werden.
Abgesehen von einem Kostenvorteil, sagt Chen, können die Batterien von Amandarry sehr schnell aufgeladen werden – 80 Prozent in 15 Minuten.
Kevin Brundish, CEO von AMTE Power, sagte, das Unternehmen beginne zunächst mit Batterien für stationäre Energiespeichersysteme, wie sie beispielsweise von Netzbetreibern verwendet werden, bei denen die Energiedichte weniger wichtig sei.
Die Batterien des Unternehmens seien bereits mit LFP-Zellen konkurrenzfähig und es habe mit dem Agribusiness-Riesen ICM Australia ein Joint Venture für Energiespeicherung gegründet, sagte Quinn.
Er sagte, dass Faradions Batterien bei relativ geringem Maßstab ein Drittel weniger teuer sein sollten als eisenbasierte LFP-Batterien.
Schwefel ist eine „böse, harte Chemie“, um Batterien zum Laufen zu bringen, sagt Celina Mikolajczak, Chief Battery Technical Officer beim kalifornischen Start-up Lyten, das laut der Investment-Website PitchBook 47,5 Millionen Dollar von Investoren angezogen hat.
Aber, sagte sie, es sei „die Chemie der Zukunft, die Chemie, die Batterien zum Massenmarkt macht“.
Ulrich Ehmes, Geschäftsführer von Theion – altgriechisch für Schwefel – sagt, das Problem mit Schwefel sei, dass es so korrosiv sei, dass es eine Batterie nach 30 Ladungen tötet.
Aber er sagte, das in Berlin ansässige Unternehmen, das von einer Handvoll Engel und Privatinvestoren unterstützt wird, habe eine Methode entwickelt, um eine Lithium-Schwefel-Elektrode zu behandeln und zu beschichten, die sie ein Leben lang halten sollte.
Aktualisiert: 16. November 2022, 4:30 Uhr