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Mittwoch, 15 Dezember 2021 10:59

Auf den Punkt gebracht: Neue Batterietechnologie spart Rohstoffe

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Geschätzte Lesezeit: 4 - 7 Minuten
Abb. 1: Das vollelektrische Mercedes Flagschiff EQS mit rein elektrischer Reichweite nach WLTP von 784 km bei einem kombinierten Verbrauch von 16,2, bis 18,9 kWh/100km (EQS 450) Abb. 1: Das vollelektrische Mercedes Flagschiff EQS mit rein elektrischer Reichweite nach WLTP von 784 km bei einem kombinierten Verbrauch von 16,2, bis 18,9 kWh/100km (EQS 450) Quelle: Mercedes

Eisenphosphat ersetzt Nickel-Mangan-Kobalt als Kathodenmaterial

Noch können wir uns den politisch geförderten Elektromobilitäts-Booster mit bis zu 9000 € Subvention pro Fahrzeug leisten (Abb. 1). Und noch bleibt dies bei 50 Mio. Bestandsfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren in Deutschland versus 0,6 Millionen batterieelektrischen Pkw (BEV) – Stand Ende 2021 – nur ein größerer Tropfen auf dem heißen Stein. Wenn aber bis 2030 die geplanten 10 Millionen BEVs abends gemeinsam an den Wallboxen laden, stellt sich die noch offene Frage, wo die notwendige Energie herkommt.

Auch die Frage, unter welchen Arbeitsbedingungen und mit welchen Umweltschäden Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt gefördert werden, hat bisher nur Wenige interessiert. Ganz abgesehen davon, dass die Preise auch aufgrund der großen Nachfrage der Elektromobilität explodieren. Nickel kostete zum Beispiel im April 2020 ca. 11 000 US-$/Tonne an der London Metall Exchange (LME) und hat sich bis heute auf 20 500 US-$/Tonne verdoppelt (Abb. 2).

Abb. 2: London Metall Exchange Preisverlauf Nickel 4-2020 bis 11-2021 von 11 000 US$/to auf 20 500 US-$/t Abb. 2: London Metall Exchange Preisverlauf Nickel 4-2020 bis 11-2021 von 11 000 US$/to auf 20 500 US-$/t

Energiedichte in Wh/kg

Abb. 3: Energiedichte in Wh/Kg für Batteriesysteme und KraftstoffeAbb. 3: Energiedichte in Wh/Kg für Batteriesysteme und KraftstoffeMit Energiedichte bezeichnet man bei Batterien die Kapazität in Wattstunden pro Kilogramm Masse. Während die guten alten Blei-Akkus nur auf eine Energiedichte von 35 Wh/kg kommen, schafften Li-Ionen Batterien bereits 2010 eine Dichte von 125 Wh/kg. In diesem Jahr werden in E-Autos Li-Ionen Batterien mit bis zu 250 Wh/kg eingesetzt. Im Vergleich dazu hat Schokolade eine Energiedichte von 6400 Wh/kg, Super-Benzin von 12 000 Wh/kg und Wasserstoff (H2) von 33 000 Wh/kg. Deshalb hat diese Abbildung seit der ersten Präsentation bei Vorträgen den Spitznamen ,Schokoladenfolie' (Abb. 3).

Spart Rohstoffe, Lithium-Eisen-phosphat-Akkus

Die üblichen Zellchemie bei Batterien verwendet Kobaltoxid, Mangan, Nickel oder Lithium-Eisenphosphat. Der Lithium-Eisenphosphat-Akku (LiFePO4) (LFP) gehört zur Familie der Lithium-Ionen Batterien. Die positive Elektrode besteht aus Eisenphosphat im Gegensatz zur sonst häufig üblichen Kobaltoxid Elektrode. Lithium-Eisenphosphat-Akkuzellen wurden vor ca. 20 Jahren entwickelt.

Sie werden in den üblichen zylindrischen Bauformen 18650 und 26650 hergestellt. Aus der Typenbezeichnung lässt sich die genaue Größe des Akkus ablesen, so hat ein 18650-Akku einen Durchmesser von 18 mm und ist 65 mm lang. Möglich sind auch flache beutelförmige Pouch-Zellen. Eisenphosphat-Zellen haben eine Nominal-Spannung von 3,2 bis 3,3 Volt, sie ist damit geringer als bei anderen Lithium-Ionen-Akkus. Die Entladungsspannung liegt bei 2 bis 2,5 Volt.

Der Vorteil von Lithium-Eisenphosphat-Akkus liegt in ihrer hohen Zyklen-Festigkeit und Lebensdauer (10 000 Ladezyklen) sowie stabilen hohen Entladeströmen und 30 bis 50 % geringeren Herstellkosten.

Ökologisch stecken in einem LFP-Akku keine Schwermetalle wie Nickel, Kadmium oder Kobalt. Die Material-Kombination erlaubt ein nahezu 100 %iges Recycling der verwendeten Metalle und auch die Elektroden-Materialien und der Polymerseparator lassen sich zu 90 % wiederaufbereiten.

Aber es gibt auch einen Nachteil: Lithium-Eisenphosphat-Akkus haben eine Energiedichte, die nur bei 210 Wh/Kg liegt, also etwa 10 bis 15 % niedriger als Lithium-Ionen-Akkus mit 250 Wh/Kg [l]. Dies bedeutet zusätzliches Gewicht und kostet damit Reichweite, auch ist die Kälteempfindlichkeit größer.

Abb. 4: Eisen-Phosphat versus Li-Ionen Batterien China 2020/2021Abb. 4: Eisen-Phosphat versus Li-Ionen Batterien China 2020/2021

E-Auto Hersteller entdecken Lithium-Eisenphosphat-Akkus

Abb. 5: Tesla Model 3 mit Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP) Abb. 5: Tesla Model 3 mit Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP) Neben verschiedenen chinesischen Anwendern und Batterieherstellern wie BYD und CATL verbaut Tesla seit 2020 die kostengünstigeren LFP-Akkus in den Basismodellen wie dem Model 3 (Abb. 5). Damit will man auch die Rohstoff-Abhängigkeit der bisher üblichen Nickel-Mangan-Kobalt Batterien reduzieren.

Mercedes plant ab 2024 für seine Einstiegsmodelle EQA und EQB LFP Akkus zu verbauen. Auch VW plant in seiner ID Kleinwagenserie diese Technologie zu verwenden, ebenso wie Ford, Renault oder Hyundai.

Bei 30 bis 50 % geringeren Herstellkosten ist dieser Run auf Lithium-Eisenphosphat-Akkus kein Wunder. Neben Nickel hat sich auch der Kobaltpreis von 30 000 US-$/Tonne auf über 60 000 US$/Tonne verdoppelt (Abb. 6).

Abb. 6: London Metall Exchange Preisverlauf Kobalt 1-2020 bis 11-2021 von 30 000 US$/Tonne auf > 60 000 US$/TonneAbb. 6: London Metall Exchange Preisverlauf Kobalt 1-2020 bis 11-2021 von 30 000 US$/Tonne auf > 60 000 US$/Tonne

Insbesondere CATL und BYD haben durch die Blade Technologie die Herstellkosten weiter senken können (Abb. 7). Bei ‚Blade Battery' handelt es sich um einen Marketingnamen für die LFP-Batterien (Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien) von BYD, bei denen der Cell-to-Pack-Ansatz verwendet wird, das heißt, die Zellen werden ohne den Zwischenschritt Module direkt in das Batteriepaket eingebaut.

Batteriepreise für BEV im Sinkflug

Abb. 7: Blade Batterie vom chinesischen Hersteller BYD in LiFePO4 TechnologieAbb. 7: Blade Batterie vom chinesischen Hersteller BYD in LiFePO4 TechnologieEinen beispiellosen preislichen Sinkflug gibt es bei Li-Ionen Batterien. Noch 2010 lag der Preis bei 1100 US-$/Wh und hätte theoretisch für einen Tesla mit 100 KWh Batterie 110 000 $ bedeutet.

Bereits 2019 lagen die Durchschnittpreise nur noch bei ca. 160 US$ pro Kilowattstunde und fielen im letzten Jahr um 13 % auf 137 US$/KWh. In diesen Jahren wurde erstmalig die magische Grenze von 100 US$/KWh in China erreicht .

Neue Materialkombinationen verbessern das Ladeverhalten und die Energiedichte und senken die Kosten. Hierzu gehören Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Aluminiumoxid, die bereits im großen Stil produziert werden.

Besonders in China wird die Lithium-Eisenphosphat-Kombination als eine besonders kostengünstige Alternative in den Markt gepusht und hat 2020 zu den bisher niedrigsten Zellpreisen von 80 US-Dollar pro Kilowattstunde beigetragen (Abb. 4).

Massenproduktion und hohe Anlagenauslastung beflügeln die Kostendegression. Ziel bis 2030 sind 50 US$/KWh bei weiter steigender Energiedichte auf prognostizierte 400 Wh/Kg.

Weiterhin sind Festkörper-Batterien in der Entwicklung, die zu 40 % der Kosten von aktuellen Lithium-Ionen-Batterien hergestellt werden können.

Auf den Punkt gebracht

  • Rund 50 Millionen Pkw beträgt der Fahrzeugbestand in Deutschland. Dem stehen in diesem Jahr etwa 1 Million E-Fahrzeuge BEV und Plug-in-Hybride gegenüber.
  • Explodierende Rohmaterialpreise habe die Suche nach Alternativen für die Batterie-Chemie beschleunigt. Nickel notiert derzeit an der LME bei 20 500 US$/Tonne nach 11 000 US$/Tonne Anfang 2020. Auch Kobalt hat sich im gleichen Zeitraum von 30 000 US$/Tonne auf über 60 000 US$/Tonne verdoppelt
  • Der Lithium-Eisenphosphat-Akku kommt ohne Schwermetalle aus und ist 30 bis 50 % günstiger als der herkömmliche Lithium-Ionen-Akku. CATL und BYD bauen diese Akkus für chinesische Basismodelle, aber auch für den Tesla Model 3 oder demnächst für die neue Mercedes EQA und EQB Klasse.
  • Vorteile: Zyklenfest, robust, hohe Entladeströme, lange Lebensdauer und recycelbar. Nachteile: 10 bis 15 % geringere Energiedichte und damit Reichweite, empfindlich gegen niedrige Temperaturen

Mit der E-Mobilität ist es wie in den 90iger Jahren mit den PCs (oder, für die Jüngeren, wie beim Apple Ur-iPhone ab 2007): Kaum ausgepackt waren sie schon veraltet. Eine Innovation folgte der nächsten mit immer neuen Anwendungen und Apps. Dann aber verringerte sich von Smartphone-Generation zu Smartphone-Generation das Inkrement des Neuen.

In der Elektromobilität sind wir derzeit noch eher am Beginn des Innovationszyklus, insbesondere bei der für die Reichweite und Kosten so wichtigen Batterietechnologie.

Praktischer Tipp: E-Autos anschaffen ja, aber leasen, so dass die Rückgabe nach 3 bis 4 Jahren gesichert ist.

Ein weiteres ungewöhnliches Jahr voller besonderer Pandemie-Herausforderungen neigt sich dem Ende zu. In den ersten Monaten des Jahres und jetzt zum Jahresende gibt Corona wieder den Takt vor. Viele Gespräche, Besuche und Veranstaltungen sind so zu unserer aller Sicherheit nicht mehr möglich.

Ich danke Ihnen im beginnenden 20. Jahrgang des Erscheinens meiner PLUS-Kolumne für Ihre Anregungen, Ihr Feedback und das gute Miteinander. Mein Dank ist verbunden mit den besten Wünschen für eine besinnliche Advents- und Weihnachtszeit. Ich freue mich auf eine nächste persönliche Begegnung mit Ihnen im neuen Jahr.

Ihr

Hans-Joachim Friedrichkeit

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  • Ausgabe: 12
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Hans-Joachim Friedrichkeit

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