Was kommt als nächstes für Batterien im Jahr 2023?

Erwarten Sie in diesem Jahr neue Batteriechemien für Elektrofahrzeuge und einen Produktionsschub dank staatlicher Förderung.

Jedes Jahr wird die Welt immer mehr mit Batterien betrieben. Elektrofahrzeuge machten im Jahr 2022 mehr als 10 % des weltweiten Fahrzeugabsatzes aus und sind auf dem besten Weg, bis zum Ende dieses Jahrzehnts 30 % zu erreichen.

Richtlinien auf der ganzen Welt werden dieses Wachstum nur beschleunigen: Die jüngste Klimagesetzgebung in den USA pumpt Milliarden in die Batterieherstellung und schafft Anreize für den Kauf von Elektrofahrzeugen. Die Europäische Union und mehrere Staaten in den USA haben ab 2035 Verbote für gasbetriebene Fahrzeuge erlassen.

Der Übergang wird viele Batterien erfordern – und zwar bessere und billigere.

Die meisten Elektrofahrzeuge werden heute mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, einer jahrzehntealten Technologie, die auch in Laptops und Mobiltelefonen verwendet wird. All diese Jahre der Entwicklung haben dazu beigetragen, die Preise zu senken und die Leistung zu verbessern, so dass sich die heutigen Elektrofahrzeuge dem Preis von benzinbetriebenen Autos annähern und zwischen den Ladevorgängen Hunderte von Kilometern zurücklegen können. Lithium-Ionen-Batterien finden auch neue Anwendungen, einschließlich der Stromspeicherung im Netz, die dazu beitragen können, intermittierende erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne auszugleichen.

Aber es gibt noch viel Raum für Verbesserungen. Sowohl akademische Labore als auch Unternehmen suchen nach Möglichkeiten, die Technologie zu verbessern – um die Kapazität zu erhöhen, die Ladezeit zu verkürzen und die Kosten zu senken. Das Ziel sind noch günstigere Batterien, die eine kostengünstige Speicherung für das Stromnetz ermöglichen und es Elektrofahrzeugen ermöglichen, mit einer Ladung weitaus größere Distanzen zurückzulegen.

Gleichzeitig treiben Bedenken hinsichtlich der Versorgung mit wichtigen Batteriematerialien wie Kobalt und Lithium die Suche nach Alternativen zur Standard-Lithium-Ionen-Chemie voran.

Angesichts der stark steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und erneuerbarer Energie sowie der explosionsartigen Entwicklung der Batterieentwicklung ist eines sicher: Batterien werden eine Schlüsselrolle beim Übergang zu erneuerbaren Energien spielen. Hier erfahren Sie, was Sie im Jahr 2023 erwartet.

Einige völlig andere Ansätze für Elektrofahrzeugbatterien könnten im Jahr 2023 Fortschritte machen, auch wenn es wahrscheinlich länger dauern wird, bis sie kommerzielle Auswirkungen haben.

Ein Fortschritt, den man in diesem Jahr im Auge behalten sollte, sind sogenannte Festkörperbatterien. Lithium-Ionen-Batterien und verwandte Chemikalien verwenden einen flüssigen Elektrolyten, der die Ladung hin und her transportiert; Festkörperbatterien ersetzen diese Flüssigkeit durch Keramik oder andere feste Materialien.

Dieser Austausch eröffnet Möglichkeiten, mehr Energie auf kleinerem Raum unterzubringen und so möglicherweise die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu verbessern. Festkörperbatterien könnten die Ladung auch schneller transportieren, was kürzere Ladezeiten bedeutet. Und da einige in Elektrolyten verwendete Lösungsmittel brennbar sein können, sagen Befürworter von Festkörperbatterien, dass sie die Sicherheit erhöhen, indem sie das Brandrisiko verringern.

Ein neuer Batterietyp könnte Elektroautos endlich so bequem und günstig machen wie Benzinautos.

Festkörperbatterien können ein breites Spektrum an chemischen Stoffen nutzen, ein Spitzenkandidat für die Kommerzialisierung ist jedoch Lithiummetall. Quantumscape beispielsweise konzentriert sich auf diese Technologie und sammelte Hunderte Millionen an Finanzmitteln, bevor es 2020 an die Börse ging. Das Unternehmen hat einen Vertrag mit Volkswagen, der seine Batterien bis 2025 in Autos einbauen könnte.

Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, Batterien völlig neu zu erfinden, und bei Lithium-Metall-Batterien gab es Bedenken hinsichtlich einer Verschlechterung im Laufe der Zeit sowie Herausforderungen bei der Herstellung. Quantumscape gab Ende Dezember bekannt, dass es Muster zum Testen an Automobilpartner geliefert habe, ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Einführung von Festkörperbatterien in Autos. Andere Anbieter von Festkörperbatterien wie Solid Power arbeiten ebenfalls daran, ihre Batterien zu bauen und zu testen. Doch während sie auch in diesem Jahr wichtige Meilensteine ​​erreichen könnten, werden ihre Batterien es 2023 nicht in Fahrzeuge auf die Straße schaffen.

Festkörperbatterien sind nicht die einzige neue Technologie, auf die man achten sollte. Natrium-Ionen-Batterien weichen auch stark von den heute üblichen Lithium-Ionen-Batterien ab. Diese Batterien haben ein ähnliches Design wie Lithium-Ionen-Batterien und enthalten einen flüssigen Elektrolyten. Statt Lithium verwenden sie jedoch Natrium als chemischen Hauptbestandteil. Berichten zufolge plant der chinesische Batterieriese CATL, im Jahr 2023 mit der Massenproduktion zu beginnen.

Natrium-Ionen-Batterien verbessern möglicherweise nicht die Leistung, könnten aber die Kosten senken, da sie auf billigeren und allgemeiner verfügbaren Materialien basieren als Lithium-Ionen-Batterien. Es ist jedoch nicht klar, ob diese Batterien den Bedarf an Reichweite und Ladezeit von Elektrofahrzeugen decken können, weshalb mehrere Unternehmen, die diese Technologie anstreben, wie etwa das US-amerikanische Unternehmen Natron, zunächst auf weniger anspruchsvolle Anwendungen wie stationäre Speicher oder Mikromobilitätsgeräte abzielen wie E-Bikes und Roller.

Laut Yayoi Sekine, Leiter Energiespeicherung beim Energieforschungsunternehmen BloombergNEF, ist der Markt für Batterien für die stationäre Netzspeicherung heute klein – etwa ein Zehntel der Größe des Marktes für Batterien für Elektrofahrzeuge. Doch die Nachfrage nach Stromspeichern wächst, da immer mehr erneuerbare Energien installiert werden, da große erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne variabel sind und Batterien dabei helfen können, Energie zu speichern, wenn sie benötigt wird.

Für die stationäre Speicherung sind Lithium-Ionen-Batterien nicht ideal, auch wenn sie heutzutage häufig dafür verwendet werden. Während Batterien für Elektrofahrzeuge immer kleiner, leichter und schneller werden, besteht das primäre Ziel bei stationären Speichern darin, Kosten zu senken. Größe und Gewicht spielen bei der Gitterspeicherung keine so große Rolle, was bedeutet, dass sich wahrscheinlich unterschiedliche Chemien durchsetzen werden.

Ein aufsteigender Stern in der stationären Lagerung ist Eisen, und zwei Akteure könnten im kommenden Jahr Fortschritte verzeichnen. Form Energy entwickelt eine Eisen-Luft-Batterie, die einen wasserbasierten Elektrolyten verwendet und im Wesentlichen Energie durch reversibles Rosten speichert. Das Unternehmen kündigte kürzlich eine 760-Millionen-Dollar-Produktionsanlage in Weirton, West Virginia, an, deren Bau im Jahr 2023 beginnen soll. Ein anderes Unternehmen, ESS, baut eine andere Art von Eisenbatterie, die eine ähnliche Chemie verwendet; Das Unternehmen hat mit der Produktion am Hauptsitz in Wilsonville, Oregon, begonnen.

Lithium-Ionen-Batterien werden immer besser und billiger, aber Forscher optimieren die Technologie weiter, um eine höhere Leistung und niedrigere Kosten zu erzielen.

Ein Teil der Motivation liegt in der Preisvolatilität von Batteriematerialien, die Unternehmen dazu veranlassen könnte, die Chemie zu ändern. „Es ist ein Kostenspiel“, sagt Sekine.

Kathoden gehören in der Regel zu den teuersten Teilen einer Batterie, und ein Kathodentyp namens NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) ist heute die dominierende Variante in Elektrofahrzeugbatterien. Aber diese drei Elemente sind zusätzlich zu Lithium teuer, so dass der Verzicht auf einige oder alle davon dazu beitragen könnte, die Kosten zu senken.

Dieses Jahr könnte ein Durchbruch für eine Alternative sein: Lithiumeisenphosphat (LFP), ein kostengünstiges Kathodenmaterial, das manchmal für Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

Die aggressive neue US-Politik wird im Jahr 2023 auf die Probe gestellt. Sie könnte letztendlich zur Fragmentierung der globalen Halbleiterindustrie führen.

Jüngste Verbesserungen in der LFP-Chemie und -Herstellung haben dazu beigetragen, die Leistung dieser Batterien zu steigern, und Unternehmen sind dabei, die Technologie zu übernehmen: Der Marktanteil von LFP wächst schnell, von etwa 10 % des globalen Elektrofahrzeugmarktes im Jahr 2018 auf etwa 40 % im Jahr 2022. Tesla verwendet bereits LFP-Batterien in einigen Fahrzeugen, und Autohersteller wie Ford und Volkswagen kündigten an, dass sie planen, auch einige EV-Modelle mit dieser Chemie anzubieten.

Obwohl sich die Batterieforschung tendenziell auf die Kathodenchemie konzentriert, stehen auch Anoden vor einer Überarbeitung.

Die meisten Anoden in Lithium-Ionen-Batterien verwenden heutzutage, unabhängig von ihrer Kathodenbeschaffenheit, Graphit, um die Lithiumionen zu halten. Aber Alternativen wie Silizium könnten helfen, die Energiedichte zu erhöhen und das Laden zu beschleunigen.

Siliziumanoden sind seit Jahren Gegenstand der Forschung, aber in der Vergangenheit hatten sie keine lange genug Lebensdauer, um in Produkten zu bestehen. Jetzt beginnen die Unternehmen jedoch, die Produktion der Materialien auszuweiten.

Im Jahr 2021 begann das Startup Sila mit der Produktion von Siliziumanoden für Batterien in einem tragbaren Fitnessgerät. Das Unternehmen erhielt kürzlich einen Zuschuss von 100 Millionen US-Dollar vom Energieministerium, um den Bau einer Produktionsanlage in Moses Lake, Washington, zu unterstützen. Die Fabrik dient Silas Partnerschaft mit Mercedes-Benz und soll ab 2025 Materialien für Elektrofahrzeugbatterien produzieren.

Andere Start-ups arbeiten daran, Silizium und Graphit für Anoden miteinander zu vermischen. OneD Battery Sciences, das eine Partnerschaft mit GM eingegangen ist, und Sionic Energy könnten in diesem Jahr weitere Schritte in Richtung Kommerzialisierung unternehmen.

Das Ende 2022 verabschiedete Inflation Reduction Act sieht fast 370 Milliarden US-Dollar für die Finanzierung von Klima und sauberer Energie vor, darunter Milliarden für die Herstellung von Elektrofahrzeugen und Batterien. „Jeder hat die IRA im Kopf“, sagt Yet-Ming Chiang, Materialforscher am MIT und Gründer mehrerer Batterieunternehmen.

Die IRA wird Batterieherstellern in den USA Kredite und Zuschüsse gewähren und so die Kapazität steigern. Darüber hinaus bieten die im Gesetz vorgesehenen Steuergutschriften für Elektrofahrzeuge Autoherstellern einen Anreiz, Batteriematerialien in den USA oder bei ihren Freihandelspartnern zu beziehen und Batterien in Nordamerika herzustellen. Aufgrund der Finanzierung durch die IRA und der Einschränkungen bei der Steuergutschrift für Elektrofahrzeuge werden die Automobilhersteller weiterhin neue Produktionskapazitäten in den USA ankündigen und neue Wege zur Materialbeschaffung finden.

Batteriematerialien werden bald knapp sein. Recyclinganlagen wie die von Redwood Materials könnten helfen, die Lücken zu schließen.

All dies bedeutet, dass die Nachfrage nach den Hauptbestandteilen von Lithium-Ionen-Batterien, darunter Lithium, Kobalt und Nickel, immer größer wird. Ein mögliches Ergebnis der IRA-Anreize ist eine Zunahme des bereits wachsenden Interesses am Batterierecycling. Zwar werden in absehbarer Zeit nicht genügend Elektrofahrzeuge auf die Straße kommen, um den Bedarf an einigen wichtigen Materialien zu decken, doch das Recycling nimmt zunehmend Fahrt auf.

CATL und andere chinesische Unternehmen waren führend beim Batterierecycling, aber die Branche könnte in diesem Jahr auch in anderen großen Elektrofahrzeugmärkten wie Nordamerika und Europa ein deutliches Wachstum verzeichnen. Redwood Materials und Li-Cycle mit Sitz in Nevada und Hauptsitz in Toronto bauen Anlagen und arbeiten daran, wichtige Batteriemetalle wie Lithium und Nickel abzutrennen und zu reinigen, um sie in Batterien wiederzuverwenden.

Li-Cycle wird voraussichtlich im Jahr 2023 mit der Inbetriebnahme seiner Hauptrecyclinganlage beginnen. Redwood Materials hat mit der Produktion seines ersten Produkts, einer Kupferfolie, in seiner Anlage außerhalb von Reno, Nevada, begonnen und kürzlich Pläne für den Bau seiner zweiten Anlage ab diesem Jahr in Charleston angekündigt , South Carolina.

Da die Geldflut der IRA und anderer politischer Maßnahmen auf der ganzen Welt die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und deren Batterien ankurbelt, wird 2023 ein Jahr, das man im Auge behalten sollte.

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