1. Die aktuelle Herrschaft der Lithiumbatterien
Die hohe Energiedichte von Lithium:Das geringe Gewicht und das hohe elektrochemische Potenzial von Lithium ermöglichen die Entwicklung kleinerer und langlebigerer Batterien und Elektronikgeräte für Elektrofahrzeuge.
Kosten-Effektivität durch Skalierung:Aufgrund der jahrzehntelangen Erfahrung in der Herstellung ist die Herstellung von LIBs im Vergleich zu den meisten anderen Technologien grundsätzlich kostengünstiger geworden, sodass LIBs bei alltäglichen Konsumgütern der mittleren Preisklasse kosten{0}wettbewerbsfähig sind.
Etablierte (weltweite) Infrastruktur für LIBs:Umfangreiche Unterstützungsnetzwerke für LIBs, darunter Ladestationen für Elektrofahrzeuge und Stromspeichersysteme im Versorgungsmaßstab{0}}, haben sich im Laufe mehrerer Jahrzehnte umfassend entwickelt.
Trotz ihrer derzeitigen Dominanz in diesem Sektor gibt es in Bezug auf die LIB-Technologie mehrere Schwachstellen. Es bestehen ernsthafte Bedenken hinsichtlich der negativen Auswirkungen des Lithiumabbaus auf die Umwelt, der Erschöpfung wertvoller Wasserressourcen und der Lithiumkonzentration. China kontrolliert derzeit mehr als 60 % der weltweiten Kapazität zur Raffinierung von Lithium, was Lieferkettenrisiken für andere Länder mit sich bringt.
2. Herausforderungen, die Lithium in Richtung Obsoleszenz treiben
A. Umwelt- und ethische Überlegungen
Die Lithiumgewinnung hat eine immens hohe ökologische Auswirkung, da die Methode der Lithiumgewinnung durch Tiefbau erfolgt (dieser findet in Tiefen von mehr als 1,5 km statt), was selten vorkommt, aber einen großen ökologischen Fußabdruck hinterlässt und übermäßig viel Wasser verbraucht (bis zu 1 Mio. Liter (fast 500.000 Gallonen) für 1 Tonne produziertes Lithium). Da das Wasser in Gebieten, in denen Lithium gefördert wird (z. B. in der Atacama-Wüste im Norden Chiles), äußerst begrenzt ist, führt der Bedarf an mehr Wasser zu einer größeren Belastung der verfügbaren Süßwasserversorgung.
B. Leistungsnachteile
Obwohl Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich der Energiedichte die effizienteste Batterieform sind, weisen sie bestimmte Einschränkungen auf:
1. Lange Ladezeiten – Der Großteil der Elektrofahrzeugflotte benötigt eine Ladezeit zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden, um eine vollständige Ladung zu erreichen.
2. Kaltes Wetter – Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien nimmt unter dem Gefrierpunkt um 60 % ab, weshalb Elektrofahrzeuge in Klimazonen mit kaltem Wetter möglicherweise weniger genutzt werden können.
3. Sicherheit – Durch die hohe Energie von Lithium-Ionen-Batterien kann es zu einem thermischen Durchgehen kommen, das typischerweise zu Bränden, Explosionen usw. führt. Diese Ereignisse kommen zwar selten vor, bei Hochenergieanwendungen kommen sie jedoch vor.
C. Geopolitische Schwachstellen
Aufgrund der überwältigenden weltweiten Batterieproduktions- und Lithiumraffinierungskapazität Chinas investieren die Vereinigten Staaten, die Europäische Union und andere Westmächte in geringerem Maße erheblich in die inländische Batterieherstellung, um ihre Abhängigkeit von der chinesischen Batterieversorgung zu verringern.
3. Neue Technologien gefährden die Dominanz von Lithium
A. Festkörperbatterien-
Auf Festkörpertechnologie basierende Batterien verwenden Festkörperelektrolyte anstelle von flüssigen Elektrolyten, wie sie in typischen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Daher hat die Festkörperbatterietechnologie mehrere Vorteile gegenüber der Lithium-Ionenbatterietechnologie, darunter:
Die folgende Liste gibt einen Einblick in einige der Hauptgründe, die den Übergang des Autobatteriemarkts von der Flüssig- zur Festkörperbatterietechnologie vorantreiben. Die folgenden Punkte deuten darauf hin, dass der Übergang zur Festkörperbatterietechnologie im Automobilsektor schnell erfolgen wird.
Sicherheit: Während bei Flüssigelektrolytbatterien während der Produktion ein erhöhtes Risiko für Brände und gefährliche Chemikalien besteht, werden bei der Produktion von Festkörperbatterien keine potenziell gefährlichen Chemikalien hergestellt.
Energiedichte: Im Vergleich zur bestehenden Lithium-Ionen-Technologie, die zwischen 250 und 300 Wh/kg Energie speichern kann, hat eine Festkörperbatterie das Potenzial, bis zu 500 Wh/kg zu speichern.
Ladezeit: Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, deren vollständiges Aufladen normalerweise Stunden dauert, wurde bei experimentellen Festkörperbatterien eine Ladezeit von nur 15 Minuten festgestellt.
Marktverschiebung: Wie von OEMs berichtet, sind viele dabei, einen Festkörperbatteriesatz-zu entwickeln und zu produzieren, der irgendwann innerhalb der nächsten 5 bis 7 Jahre (2027–2030) auf den Markt kommen wird.
B. Natrium-Ionenbatterien
Natrium--Ionen-Batterien (Na--Ionen) und Lithium--Ionen-Batterien (Li--Ionen) unterscheiden sich darin, dass Natrium reichlicher und kostengünstiger als Lithium vorhanden ist. Zu den Vorteilen von Natrium--Ionen-Batterien gegenüber Lithium--Ionen-Batterien gehören:
1. Preis - Die Herstellungskosten von Na--Ionenbatterien liegen etwa 70 % unter denen von Li-Ionenbatterien.
2. Umweltfreundlich - Die zur Entfernung von Natrium erforderliche Wassermenge ist 682-mal geringer als die zur Entfernung von Lithium erforderliche.
3. Leistung bei kaltem Wetter - Na--Ionenbatterien können bei extrem niedrigen Temperaturen bis zu -30 Grad Celsius betrieben werden.
4. Zielmarkt - Unternehmen wie Faradion und CATL haben es sich zum Ziel gesetzt, die Natrium-Ionen-Technologie in die Tiered-EV- und Netz-{3}}Energiespeicherung einzuführen. Mithilfe der Na--Ionen-Batterietechnologie werden sich diese Unternehmen auf kostensensible Kunden konzentrieren.
C. Graphen-Verbesserte Batterien
Graphen, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, kann die Batterieleistung auf folgende Weise verbessern:
Schnelleres Laden: Mit Graphen-Superkondensatoren kann ein Smartphone oder Tablet in etwa 15 Sekunden vollständig aufgeladen werden.
Höhere Nutzungszyklen: Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, die auf 500–2.000 Zyklen begrenzt sind, kann eine Graphen-Batterie 10.000 Zyklen erreichen.
Kaltwetterbeständige Graphenbatterien funktionieren auch bei extrem niedrigen -40 bis hohen 80 Grad Celsius weiterhin einwandfrei.
Bis 2030 könnten Graphenbatterien, die derzeit experimentell getestet werden, die Energiespeichermöglichkeiten für erneuerbare Energiequellen und Elektroautos völlig verändern.
4. Werden Lithiumbatterien überleben? Ein Koexistenz-Szenario
Aufgrund der experimentellen Phase könnten Graphenbatterien bis zum Jahr 2030 einen drastischen Wandel hin zu neuen Formen der Energiespeicherung in erneuerbaren Energien und Elektrofahrzeugen ermöglichen. Trotz der Weltuntergangsvorhersagen rund um Lithiumbatterien scheint ihr Aussterben höchst unwahrscheinlich, da Prognosen eher auf eine Koexistenz ihrer Technologien mit neuen Innovationen hindeuten.
Einige Nischenmärkte werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte immer noch stark von Lithium-Ionen-Batterien abhängig sein, etwa die Luft- und Raumfahrt mit dem neuen elektrischen Vertical Take-Off and Landing (eVTOL). Darüber hinaus würde die Kombination der Chemie durch die Verwendung von Hybridsystemen oder Hybridkombinationen von Lithium mit Festkörper- oder Natriumionenbatterien mehrere Vorteile bieten, darunter verbesserte Kosten, Sicherheit, Leistung usw. Beispielsweise werden die zukünftigen BMW-Elektrofahrzeuge wahrscheinlich Festkörper- und Lithiumionenbatterien in Kombination verwenden, um die jeweiligen Vorteile jeder Technologie zu nutzen.
Darüber hinaus werden Innovationen beim Recycling von Lithiumzellen, darunter Chinas Plan, bis 2025 1,2 Millionen Tonnen zu recyceln, die Lebensdauer von Lithiumzellen verlängern und gleichzeitig Kosten und Energie durch weniger Bergbau einsparen.
5. Der Weg in die Zukunft: Innovation und Praktikabilität in Einklang bringen
Die Entwicklung zu einem „Post{0}}Lithium-Batteriesystem hängt von drei Hauptfaktoren ab:
1. Kostenwettbewerbsfähigkeit – Damit Festkörperbatterien und Natriumionenbatterien signifikante Marktanteile gewinnen können, müssen sie den Gegenwert von 100 US-Dollar pro kWh erreichen, damit die Preise mit denen von Lithiumionenbatterien vergleichbar werden.
2. Skalierbarkeit – Solid-State-Produktionsanlagen wie die CATL 20GWh-Linie müssen in der Lage sein, von der Pilotanlage zur Massenproduktion zu skalieren (Ziel 2027).
3. Politische Unterstützung – Es müssen staatliche Richtlinien eingeführt werden, um F&E- und Recycling-Infrastrukturen zu fördern und zu fördern, die das mit Lithium verbundene Lieferkettenrisiko verringern oder beseitigen können.
