Marktforschung für Lithium-Ionen-Batterien
Zusammenfassung
Es ist ein unvermeidlicher Wandel im Gange, da die Automobilindustrie von traditionellen benzinbetriebenen Fahrzeugen auf kraftstoffsparendere und umweltfreundlichere Transportmittel umsteigt. Derzeit erobern Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge den Weltmarkt, aber es geht nur langsam voran und es gibt viele Hindernisse. Bislang haben diese Fahrzeuge ihren Herstellern noch keinen großen Gewinn eingebracht, aber mit der Verbesserung der Batterietechnologie wird sich dies sicherlich ändern. Die Frage ist, wie lange wird es dauern?
Lithium-Ionen-Batterien haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Der Batteriemarkt wird voraussichtlich bis 2019 $33 Milliarden und bis 2023 $26 Milliarden überschreiten. In den nächsten Jahren dürfte es zu einer Verbreitung von Beutelbatterien kommen, wobei Unternehmen wie LG Chem Verpackungsmaterialien entwickeln, die hohen Temperaturen standhalten und in naher Zukunft eine Leistungsdichte von 400 kWh liefern sollen. Obwohl völlig neue Brennstoffquellen in der Entwicklung sind, werden Lithium-Ionen-Batterien in den nächsten fünf bis zehn Jahren weiterhin die bevorzugte Technologie bleiben. Die Herstellungskosten werden in diesem Zeitraum ebenfalls weiter um bis zu 30% sinken. Die heutigen Innovationen werden höchstwahrscheinlich bis 2020 übernommen, größere Durchbrüche werden jedoch erst nach 2025 erwartet.
Der Erfolg von Tesla und die Ankündigung einer neuen GigaFactory in Nevada haben in der Branche für große Aufregung gesorgt. Die Massenproduktion von Batterien könnte weitere Kostensenkungen und eine schnellere Verbesserung der Reichweite von Hybrid- und Elektrofahrzeugen ermöglichen. Die Reichweitenangst ist für Hersteller nach wie vor ein großes Problem, da potenzielle Besitzer vom Kauf abgehalten werden, weil sie befürchten, zwischen den Ladevorgängen des Fahrzeugs nicht weit fahren zu können und nicht viele bequem erreichbare Lademöglichkeiten zu haben.
Die Produktion der zylindrischen Zellbatterien von Tesla, die von Audi und Porsche hergestellt werden, wird zunehmen, da die zylindrische Entwicklung recht vielversprechend erscheint. Darüber hinaus wird auch die Produktion von NTA-Kathoden zunehmen, da diese nachweislich eine höhere Dichte aufweisen und ihre Kapazität weiter steigt. Siliziumanoden werden höchstwahrscheinlich in Zukunft den Markt dominieren, da ihre Popularität zunimmt.
Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie entwickelt sich rasch weiter, wird aber voraussichtlich erst nach 2020 einen starken Einfluss auf den Markt haben. In der Zwischenzeit werden sich Lithium-Ionen-Batterien weiter verbreiten. Dabei wird ihre Kapazität voraussichtlich um 51 TP3T pro Jahr steigen, während ihre Leistungs- und Energiedichte weiter zunimmt. Bessere und effizientere Batteriequellen werden branchenweit erforscht und entwickelt, werden aber erst in 5-7 Jahren umgesetzt.
Der jüngste Einbruch der weltweiten Ölpreise hat sich besonders nachteilig auf die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen auf dem Markt ausgewirkt. Da sich Autofahrer weniger Gedanken über die Benzinkosten machen (vor allem in den USA), sind sie eher geneigt, herkömmliche benzinbetriebene Fahrzeuge zu kaufen. Die meisten sind der Meinung, dass die Ölpreise zwangsläufig wieder steigen werden, was Autofahrer dazu veranlassen wird, erneut über Hybrid-/Elektrofahrzeuge nachzudenken. In der Zwischenzeit beobachten die Autohersteller die Entwicklung des Ölpreises mit Sorge, um zu sehen, was passieren wird, und die Batterieentwickler arbeiten weiter daran, die Fortschritte zu ermöglichen, die dann zur Verfügung stehen werden, wenn sie gebraucht werden.
Ein weiteres ernsthaftes Hindernis für den Verkauf von Hybrid-/Elektrofahrzeugen ist das Fehlen einer nennenswerten Infrastruktur für Ladestationen. Derzeit sind sie rar gesät und konzentrieren sich hauptsächlich auf die Küsten, und Autofahrer scheuen sich, ein Elektrofahrzeug zu kaufen, das sie nicht bequem aufladen können, wenn sie es möchten. Natürlich wird sich dies aus der Not heraus allmählich ändern. Die Frage ist: Wie schnell? Das Aufkommen des kabellosen Ladens wird auch dazu beitragen, die Ladezeiten zu verkürzen und es Autofahrern zu erleichtern, beim Autokauf umweltfreundliche Entscheidungen zu treffen. Letztendlich wird die Nachfrage nach Hybrid-/Elektrofahrzeugen steigen, vor allem in Europa und China. Mit der steigenden Nachfrage wird auch die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien steigen.
Vor nicht allzu langer Zeit sagten viele voraus, dass Plug-Ins bis 2020 einen Marktanteil von 30 % erreichen würden, doch die niedrigen Ölpreise haben diese Erwartungen zurückgeschraubt. Heute konzentriert sich das Interesse vor allem darauf, wer bei der Produktion und Entwicklung von Batterien im großen Maßstab die Führung übernehmen wird und wo die Produktion geographisch angesiedelt sein wird. China scheint ein guter Kandidat für die Führung im Bereich der „Batteriepakete“ zu sein, da viele potenzielle Standorte in den USA durch strengere Umweltauflagen in Bezug auf giftige Metalle behindert werden. Korea und Japan zeigen ebenfalls vielversprechende Wettbewerbsfähigkeit und werden sich mit Sicherheit als wichtige Akteure etablieren. 2025 erscheint als Zieldatum für einen signifikanten Fortschritt von Hybrid-/Elektrofahrzeugen auf dem internationalen Markt realistischer.
Gegen 2030 wird es mehr Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Produkte geben, darunter Lithium-Luft. Die Batteriekosten bleiben gleich, aber die Energiedichte wird sich verdoppeln und die Leistung wird sich nicht ändern. Lithium-Polymer ist sehr vielversprechend, aber nicht, solange die Lithium-Metall-Anode nicht perfektioniert wird. Mit der Technologie sind Brandgefahren verbunden, die gelöst werden müssen.
Es zeichnen sich spannende Durchbrüche ab, die sich jedoch noch in der Entwicklungsphase befinden. Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie ist der Realisierung vielleicht am nächsten, da einige praktische Anwendungen bereits vorhanden sind. Darüber hinaus sind hochentwickelte Technologien wie Graphen/Kohlenstoffnanoröhren, Aluminium-Luft, Zink-Luft und viele andere potenziell realisierbare Ideen, die sich in der Entwicklung befinden.
Das aufstrebende Unternehmen SAKTI3 in Michigan entwickelt eine Batterie, die angeblich die doppelte Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien hat und dabei nur ein Fünftel der Kosten kostet. Könnte diese Technologie den Kunden den Preis und die Reichweite bieten, die sie brauchen, um auf ein umweltfreundliches Auto umzusteigen? Sakti3 hat 14 Milliarden Dollar Forschungsgelder von Geldgebern wie japanischen Industriellen, Itochu, Khosla Ventures, General Motors und dem Bundesstaat Michigan eingesammelt.
Ein weiterer vielversprechender Aspekt der Lithium-Ionen-Batterietechnologie ist die Wiederverwendung am Ende ihrer Lebensdauer. Wenn Lithium-Ionen-Batterien ihren ursprünglichen Zweck, nämlich die Stromversorgung eines Hybrid- oder reinen Elektrofahrzeugs, nicht mehr erfüllen, können sie weiterhin für andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise zur Stromversorgung von Krankenhäusern, Gebäuden und Netzanwendungen. Im zweiten Leben einer Batterie kann sie weitere zehn Jahre verwendet und dann recycelt werden. Danach könnte ein Teil für andere Zwecke genutzt werden. Zu diesem Zweck hoffen einige, dass die Regierungen Bestimmungen für das zweite Leben vorschreiben, um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu verlängern.
Die Haupttreiber für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie auf dem Weg ins Jahr 2020 sind staatliche Anreize zur Förderung des Wachstums der EV/PHV-Industrie sowie Umweltauflagen aus dem Nahen Osten, Europa, den USA und Asien. Darüber hinaus wird das Wachstum von Käufern der Generation Y ausgehen, die an umweltfreundlichen Autos interessiert sind. Konventionelle Anwendungen wie Gewichtsreduzierung und Effizienzsteigerung von Benzinmotoren, Dieselmotoren und Getrieben können zwar zur Einhaltung der Kraftstoffverbrauchsanforderungen beitragen, reichen jedoch nicht aus, um die gesetzlichen Vorschriften für 2020 zu erfüllen.
Welche Hindernisse der Entwicklung von Hybrid-/Elektrofahrzeugen auch im Wege stehen, sie werden mit Sicherheit überwunden werden, denn die Zukunft wird energieeffizientere und umweltfreundlichere Fahrzeuge erfordern. Die weltweite Suche nach der bestmöglichen Batterie geht weiter und dramatische Durchbrüche stehen unmittelbar bevor. Die Fortschritte erfolgen schnell, da brillante Batteriedesigner darum wetteifern, die Anforderungen eines sich rasch entwickelnden Automobilmarktes zu erfüllen.
Einführung
Obwohl Hybridfahrzeuge und vollelektrische Fahrzeuge noch nicht wirklich alltäglich auf den Straßen der Welt sind, vollzieht sich ein unvermeidlicher Wandel, da wir von traditionellen benzinbetriebenen Fahrzeugen auf kraftstoffsparendere und umweltfreundlichere Transportmittel umsteigen. Dieser Wandel bringt Innovationen und schnelle Veränderungen mit sich, die durch die Notwendigkeit getrieben werden, geeignete Technologien zu finden, um einen derart dramatischen Wandel zu ermöglichen.
Jahrelang war die Bleibatterie die Energiequelle für unsere Fahrzeuge und Geräte, die eine unabhängige Stromversorgung benötigten. Heute erleben wir die Einführung der Lithium-Ionen-Batterie. Angetrieben von einer leicht verfügbaren Rohstoffquelle, dem leichtesten bekannten Metall, hat Lithium die Batterieindustrie revolutioniert und zeigt auch in den kommenden Jahren keine Anzeichen einer Verlangsamung.
Es wird erwartet, dass der Markt für Lithium-Ionen-Batterien bis mindestens 2020 weiterhin verlässliche Wachstumschancen bietet. Die Endverbraucher, die dieses Wachstum vorantreiben, sind Automobilhersteller, Hersteller von Industriegütern, Anbieter von Verbrauchergeräten sowie das Segment der Stromnetze und der Speicherung erneuerbarer Energien. Der Übergang zu Hybrid- und Elektrofahrzeugen hat die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien nur beschleunigt. Die Hersteller arbeiten ständig an der Verbesserung bestehender Technologien und streben danach, Batterien zu bauen, die leichter und effizienter sind und Fahrzeuge zwischen den Ladevorgängen weiter bringen. Es gibt ständig Durchbrüche, die eine Zukunft voller Batterien versprechen, die wirklich etwas leisten und die Anforderungen von Unternehmen, Verbrauchern und der Umwelt erfüllen.
Über den Transportbereich hinaus gibt es für Lithium-Ionen-Batterien in vielen anderen Bereichen lukrative Märkte. Am bemerkenswertesten sind hier die Gesundheitsbranche, die weltweiten Hersteller und militärische Anwendungen. Darüber hinaus ist unser Planet batteriebetrieben und braucht Energie, um sich in Bewegung zu halten und in Richtung Zukunft zu kreisen.
Es ist schwierig, sich auf diesem sich ständig verändernden Markt der Batterieentwicklung zurechtzufinden, aber Investoren und aufstrebende Akteure wissen, dass die Ampel grün ist, und sie gehen mutig voran, um sich ein Stück vom Kuchen zu sichern, da ein regulierter Markt für grüne Energiequellen und höhere Kraftstoffeffizienz bereitsteht. Denjenigen, die die Komplexität dieses Marktes am besten meistern, winken Gewinn und Erfolg.
Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien wird sich fortsetzen, da verstärkte Investitionen in Forschung und Entwicklung eine verbesserte Batterieleistung und niedrigere Preise für Verbraucher unterstützen. Aus Wettbewerbssicht ist der Markt segmentiert mit Anbietern wie Batteriepack-Integratoren und Zellherstellern. Die Konsolidierung wird sich jedoch fortsetzen, da kleinere Interessenten die hohen Kapitalinvestitionen, die zur Deckung der F&E-Ausgaben erforderlich sind, und den Trend sinkender Preise wahrscheinlich nicht überstehen werden. Die Marktnachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wird voraussichtlich in Nordamerika und im asiatisch-pazifischen Raum am größten sein. Auch europäische Länder werden nach ähnlichen alternativen Energiequellen suchen. Hier ist eine Aufschlüsselung des erwarteten prozentualen weltweiten Marktanteils der Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien, der von Frost und Sullivan für das Jahr 2020 prognostiziert wird:
Die Branchen IT, Gesundheitswesen und Telekommunikation werden eine erhöhte Nachfrage nach Produkten auf Lithium-Ionen-Basis aufweisen. In Verbindung mit den Interessen von Verbrauchern, Netzbetreibern, Automobilherstellern und erneuerbaren Energien könnte dies durchaus zu einer Situation führen, in der die Nachfrage das Angebot übersteigt.
Lithium – das leichteste Metall
In der chilenischen Atacama-Wüste soll es 28,4 Millionen Tonnen gewinnbares Lithium geben, genug für schätzungsweise 1,58 Milliarden PHEVs oder 400 Millionen Elektrofahrzeuge. Darüber hinaus ist es recycelbar und kann in Zukunft für andere Anwendungen eingesetzt werden. Bis etwas Besseres kommt, ist Lithium heute und in absehbarer Zukunft die Lösung.
Branchenprognosen zeichnen ein rosiges Bild für die Herstellung und den Verkauf von Lithium-Ionen-Batterien. Tatsächlich gibt es diese Boomzeiten in allen Sektoren, einschließlich Elektrofahrzeugen, Energiespeicherung und Unterhaltungselektronik. Im Mittelpunkt dieses Wachstums steht Innovation. Weltweit wird allein der globale Markt für Lithium-Ionen-Batterien für Kraftfahrzeuge bis 2015 schätzungsweise $9,6 Milliarden Umsatz generieren. Bis 2019 soll er auf $33,1 Milliarden anwachsen, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 14,4% in den nächsten sieben Jahren. Bis 2023 wird der weltweite Umsatz mit Lithium-Ionen-Batterien $26,1 Milliarden erreichen. Die bewährte Zuverlässigkeit von Lithium-Ionen-Batterien hat dies ermöglicht.
Da Innovationen immer weiter voranschreiten und der Markt wächst, sinken die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge weiterhin rapide. Schätzungen zufolge werden sie bis zum Jahr 2025 auf $100/kWh sinken. Allerdings herrscht auch Skepsis. Lux Research rechnet bis 2020 mit $400/kWh. Andere Quellen nennen einen Richtwert von $150 als Preispunkt, der batteriebetriebene Elektrofahrzeuge für die Öffentlichkeit rentabel macht.
Das anhaltende, aber maßvolle Wachstum des Marktes für Lithium-Ionen-Batterien hat einigen Batterieherstellern das Leben schwer gemacht. Im Lauf der Zeit kam es zu Insolvenzen oder Firmenschließungen, da größere, etabliertere Unternehmen darauf warten, dass der Markt für Elektroantriebe weltweit expandiert. Zu den führenden Unternehmen zählen Johnson Controls, AESC und LG Chemical. Unterdessen deuten Forschungsergebnisse auf erstaunliche Sprünge bei der Batteriekapazität in den nächsten Jahren und stetig steigende Verkaufszahlen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen auf unseren Straßen, in der Luft und auf dem Meer hin – was bis 2025 einen Umsatz von über $533 Milliarden Dollar bedeuten wird.
Aufkommende Technologien
Derzeit setzen sich Hybridautos auf dem Markt gut durch und es wird erwartet, dass reine Elektroautos in den nächsten fünf Jahren nachziehen werden, wenn die technischen Probleme gelöst sind und die Kosten für die Verbraucher annehmbarer werden. Bisher haben sich Toyota und Tesla gut positioniert und einige andere sind nicht weit entfernt. Einige werden zusammenarbeiten, um ihre Chancen zu verbessern. Auf dem Spiel stehen unzählige Milliarden für die Überlebenden und möglicherweise die Vergessenheit für die Verlierer. Gleichzeitig entwickelt sich die Technologie weiter und denkt über Lithium-Ionen-Batterien hinaus, denn nichts bleibt statisch. Hier ist ein Blick auf einige aufkommende Technologien – ihr Potenzial und ihre Fallstricke.
Lithium-Luft-Batterien — IBM arbeitet seit 2009 an Lithium-Luft-Batterien. Li-Luft sorgt für eine verbesserte Energiedichte, indem sie die Chemie der Batterie verändert und eine Reaktion auslöst, die Sauerstoff aus der Atmosphäre zieht und anschließend beim Aufladen Sauerstoff produziert. Prognostiker sehen die Technologie als bahnbrechende Neuerung und stellen sich einen Tag vor, an dem Autos Tausende von Kilometern zurücklegen können, ohne aufgeladen werden zu müssen. Bis zur Umsetzung wird es jedoch noch mindestens 5 bis 15 Jahre dauern.
Duel Carbon Batterien – Power Japan Plus — Lithium-Ionen-Batterien haben ihre Grenzen. Die Ladezeit ist zu lang. Sie haben keine besonders hohe Energiedichte. Sie sind potenziell flüchtig (Hitze, Feuer und Explosionen). Außerdem verlieren sie nach wiederholtem Laden an Leistung. Bei der Dual-Carbon-Technologie werden Lithiumoxid-Anschlüsse durch reine Kohle ersetzt. Sie werden nicht so heiß und laden angeblich bis zu 20-mal schneller. Kohle ist leicht erhältlich und der Abbau mit der Zeit ist ebenfalls geringer.
Graphen-Ultrakondensatoren – Tesla zeigt Interesse — In diesem Fall werden anstelle von Batterien geladene Platten verwendet, die durch Widerstände getrennt sind. Die Elektrizität wird dann in einem elektrostatischen Feld gespeichert und später entladen. Es gibt Probleme mit der Speicherung und Entladung, die noch gelöst werden müssen. Mit Graphen ist es möglich, Zellen mit enormer Kapazität und Energiedichte zu erzeugen, die im Laufe der Zeit nicht degenerieren. Das Aufladen erfolgt praktisch augenblicklich. Bisher haben die Prototypen sehr vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Elon Musk war inspiriert, vorherzusagen, dass „die Zukunft nicht Batterien, sondern Superkondensatoren sind“. Die Zeit wird es zeigen.
Lithium-Imid-Batterien – Leydon Energies — Lithiumimid begrenzt nachweislich die Wärmeausdehnung bei extrem hohen Temperaturen. Leydon stellt Anoden auf Siliziumbasis her, die eine höhere Energiedichte ermöglichen als Anoden auf Kohlenstoffbasis.
SuperPolymer 2.0 Lithium-Ionen-Batterien – Electrovaya, Inc. — Diese Technologie verbessert die Batterieeffizienz und -leistung in vielen Anwendungen und eliminiert vorteilhafterweise N-Methylpyrrolidon (NMP), das sich als gefährlich für den Menschen erwiesen hat. SuperPolymer 2.0 soll eine verbesserte Feuerbeständigkeit aufweisen und in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden können.
Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Batterien — Diese Materialien bieten Vorteile, die erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen. Sie werden als Wide-Bandgap-Materialien (WBG) bezeichnet und sind in der Leistungselektronik effizienter als Silizium. Geräte, die sie verwenden, können kleiner gebaut werden und wiegen weniger. Es wird erwartet, dass sie Silizium in Elektrofahrzeugen bereits 2020 ersetzen werden.
Magnesium-Ionen-Batterien – Lawrence Berkeley National Labs — Magnesiumionen werden als mögliche „Zukunft der Energiespeicherung“ angepriesen und haben eine Ladung von +2 (Mehrwertigkeit) im Gegensatz zu Lithiumionen mit +1 (Einzelelektron). Magnesium ist häufiger als Lithium und neigt nicht so sehr zum Überhitzen. Trotz anfänglicher Bedenken hinsichtlich Leitfähigkeitsproblemen und Gegenionen, die die Effizienz der Batterie beeinträchtigen könnten, hat die Forschung gezeigt, dass die Leitfähigkeit aufgrund einer um ein Drittel kleineren Koordinationssphäre tatsächlich effizienter ist als die von Lithiumionen. Als Nächstes stehen Tests in der Praxis an, und wenn sie erfolgreich sind, werden mit Sicherheit Mg-Ionen-Batterien folgen, die leistungsstark, kostengünstig und sicher sind.
Siliziumbasierte Lithium-Ionen-Batterien – Amprius — Die Idee besteht darin, Silizium statt Kohlenstoff als Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden. Die Stanford University hat eine Risikokapitalrunde von $30 Millionen angekündigt, die Amprius bei der Entwicklung der Idee in seinen chinesischen Einrichtungen unterstützen soll. Die asiatische Private-Equity-Firma SAIF Partners, die Investoren Kleiner, Perkins, Caulfield und Beyers, Vantage Point Capital Partners, Chinergy Capital, Innovation Endeavors und Trident Capital sind alle am Ergebnis der aktuellen Forschung und Entwicklung beteiligt. Ziel ist es, die zehnfache Energiedichte von Silizium im Vergleich zu kohlenstoffbasierten Lithium-Ionen-Batterien zu nutzen. Es besteht das Potenzial, die derzeit verfügbare Energiedichte um bis zu 40% zu steigern. Leider dehnt sich Silizium im Gegensatz zu Kohlenstoff beim Einsetzen von Lithium-Ionen aus, wodurch es bricht und sich zersetzt. Die Barriere entwickelt eine Möglichkeit, Nanoröhrenstrukturen kommerziell herzustellen. Amprius strebt an, die Batterien 2015 auf den Markt zu bringen, nachdem bereits 60.000 Einheiten zu Testzwecken gebaut wurden. Nokia und andere chinesische und US-amerikanische Hersteller warten ab. In der Zwischenzeit hofft Amprius, dass Batterien der dritten Generation bis zu 500 Wattstunden pro Kilo erreichen werden.
Natrium-Luft-Batterien — Die Kapazität von Natrium-Luft ist zugegebenermaßen geringer als die von Lithium-Luft, aber sie ist definitiv höher als die von Lithium-Ionen und viel einfacher herzustellen als Lithium-Luft. An einem Ende der Batterie befindet sich eine Natriumelektrode, wobei ein Elektrolyt unter einer sauerstoffdurchlässigen Kohlenstoffelektrode platziert ist. Ein Elektron umgeht die Batterie und das ionische Metall löst sich im Elektrolyt auf, der zur Kohlenstoffelektrode wandert und auf Sauerstoff trifft. Es befindet sich noch in der Versuchsphase, aber die Forscher sind ermutigt. Sie haben festgestellt, dass Natrium-Luft eine bessere Ladung hält und sich auch leichter aufladen lässt als Lithium-Luft. Der Nachteil? Natrium-Luft kann nur einige Male aufgeladen werden, bevor es leer ist. Wissenschaftler versuchen herauszufinden, warum.
Aluminium-Luft-Batterien – Phinergie — Aluminium-Luft erzeugt Elektrizität, wenn Sauerstoff in der Luft mit Aluminium reagiert, wodurch eine Batterie mit enormer Energiedichte entsteht. Sie werden aufgrund der hohen Anodenkosten und Nebenproduktprobleme bei Verwendung mit herkömmlichen Elektrolyten nicht häufig eingesetzt. Aus diesem Grund werden sie hauptsächlich für militärische Zwecke eingesetzt. Ein Elektrofahrzeug mit Aluminium-Luft-Batterien könnte möglicherweise die achtfache Reichweite von Lithium-Ionen-Batterien erreichen und dabei viel weniger wiegen. Außerdem sind Aluminium-Luft-Batterien im Wesentlichen nicht wiederaufladbar, wenn sie einmal in wasserbasierte Elektrolyte getaucht sind. Es ist möglich, sie mit frischen Aluminiumanoden wiederaufzuladen, die durch Recycling des hydratisierten Aluminiumoxids gewonnen werden. Dies müsste der Fall sein, wenn Aluminium-Luft-Batterien breitere Verwendung finden sollen. Die Hybridisierung mit herkömmlichen Blei-Säure-Batterien könnte die Antwort sein. Kürzlich demonstrierte Phinergy ein Elektroauto mit Aluminium-Luft-Zellen, das mit einer einzigartigen Kathode und Kaliumhydroxid 330 km zurücklegen konnte. In Zusammenarbeit mit Alcoa testete Phinergy kürzlich ein kleines Elektrofahrzeug mit Lithium-Ionen- und Aluminium-Luft-Batterien, das eine erstaunliche Reichweite von 1000 Meilen aufwies. Obwohl sie nicht wiederaufladbar sind, könnten modulare Aluminiumkartuschen gegen neue ausgetauscht werden. Als Backup-Stromversorgung in Verbindung mit einer Lithium-Luft-Batterie könnten sie Autofahrern eine kohlenstofffreie Alternative bieten. Tatsächlich bieten Al-Luft-Batterien eine Leistung, die mit der von benzinbetriebenen Fahrzeugen vergleichbar ist, sind aber sauberer. Es ist eine praktikable Option, die sicherlich zur Debatte steht.
Zink-Luft-Batterien — Zink-Luft-Batterien sind ebenfalls nicht wiederaufladbar und erzeugen Strom durch Oxidation von Zink mit Sauerstoff in der Luft. Sie bieten eine hohe Energiedichte und sind günstig in der Herstellung. Sie sind praktisch für kleine Anwendungen wie Hörgeräte und Kameras. Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen werden die Batterien viel größer. Bei der Entladung bilden Zinkpartikel eine poröse Anode, die mit Elektrolyt gesättigt ist. An der Kathode reagiert Sauerstoff und bildet Hydroxylionen, die in die Zinkpaste wandern und Zinkat bilden. Dadurch können wiederum Elektronen zur Kathode gelangen. Zinkat zerfällt zu Zinkoxid und Wasser kehrt zum Elektrolyt zurück. Wasser und Hydroxyl aus der Anode werden an der Kathode recycelt, sodass das Wasser letztendlich nicht verbraucht wird. Die Reaktionen erzeugen theoretisch 1,65 Volt, die in verfügbaren Zellen auf 1,35–1,4 Volt reduziert werden. Zink-Luft hat dieselben Eigenschaften wie Batterien und Brennstoffzellen. Zink dient als Brennstoff und die Reaktion wird durch eine Variation des Luftstroms gesteuert. Die oxidierte Zink-/Elektrolytpaste kann durch frisches Produkt ersetzt werden. Bei vollständiger Realisierung könnten Zink-Luft-Batterien eine sinnvolle Energiequelle für Elektrofahrzeuge darstellen und zur Energiespeicherung in Versorgungsunternehmen eingesetzt werden.
Gel-Batterien — Gelzellen sind VRLA-Batterien, in denen Elektrolyte geliert sind. Quarzstaub wird mit Schwefelsäure zu einer gelatinösen, unbeweglichen Masse kombiniert. Sie haben nicht die typischen Probleme von Nasszellenbatterien (Verdunstung, Korrosion, Verschütten) und sind widerstandsfähiger gegen extreme Temperaturen, Stabvibrationen und Stöße. Anders als bei Nasszellenbatterien wird das Antimon in den Bleiplatten durch Kalzium ersetzt, und es kann zu einer Rekombination von Gasen kommen.
Was ist los bei …?
Panasonic
Die Nachfrage nach Hybrid- und Plug-in-Batterien ist für Panasonic ein Segen, insbesondere im Hinblick auf die Partnerschaft mit Tesla. Panasonic konnte kürzlich einen Marktanteil von 391 TP3T verzeichnen, gefolgt von NEC mit 271 TP3T und LG Chem mit 91 TP3T. Panasonic hat seinen Batterieherstellungsvertrag mit Tesla im Oktober 2014 ausgeweitet.
Teslas großer Schritt, die geplante Giga-Fabrik im Wert von 1,4 Milliarden Dollar, die in Nevada gebaut werden soll, wird sich auf die Produktion von Lithium-Ionen-Zellen mit einer Kapazität von 35 GWh konzentrieren. Panasonic arbeitet bei diesem Vorhaben, das manche als risikoreiches Unterfangen betrachten, mit Tesla zusammen. Es bleibt abzuwarten, ob die Investition sinnvoll ist und wirklich zu einem Durchbruch bei der Herstellung billigerer Lithium-Ionen-Batterien führen kann. Einige spekulieren, dass Panasonic selbst dann niedrige Margen erzielen könnte, wenn Tesla im Jahr 2020 wie erhofft 240.000 Elektrofahrzeuge verkauft. Unter den gegenwärtigen Bedingungen ist es leicht zu spekulieren, dass Tesla möglicherweise mit Überkapazitäten arbeitet, die nur schwer auszugleichen sein könnten.
Inzwischen ist Panasonic vor kurzem eine Kooperation mit Celgard, einer Tochtergesellschaft von Polypore International, eingegangen. Gemeinsam werden sie unbeschichtete und beschichtete Celgard-Separatoren für die nächste Generation von Panasonic-Batteriezellen entwickeln. Nach Abschluss der Entwicklungsphase hoffen beide Unternehmen auf einen langfristigen Liefervertrag. Batterieseparatoren ermöglichen die Übertragung von Lithium-Ionen, während der Separator eine Barriere zwischen Kathode und Anode bildet. Celgard verwendet in seinen Separatoren derzeit Polypropylen, Polyethylen oder dreischichtige PP/PE/PP-Elektrolytmembranen.
Samsung
Samsung begann im Jahr 2000 mit der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Seitdem hat das Unternehmen durch Innovation und die Entwicklung hochwertiger Produkte eine führende Rolle eingenommen. Seit 2010 gilt das Unternehmen als weltweiter Marktführer für Lithium-Ionen-Batterien. Samsung stellt prismatische Batteriezellen her, die eine überlegene Energiedichte und Leistung bieten und gleichzeitig innerhalb der Standardabmessungsparameter für Batterien bleiben. Das Unternehmen wird bei prismatischen Zellen bleiben, da es davon überzeugt ist, dass diese weniger problematisch sind als Laminate.
Experten gehen davon aus, dass die Kosten bis 2020 auf $150US pro Kilowattstunde sinken werden, wobei die Preise eher auf der Materialseite als auf der Verkaufs-/Designseite sinken werden. Sobald die Designs in der Fertigung fortgeschritten sind, werden die Kosten letztendlich sinken. Zu diesem Zweck führt Samsung aggressive Kostensenkungsmaßnahmen durch.
Das Unternehmen ist in der Lage, mehrere moderne Autobatteriezellen in Massenproduktion herzustellen, darunter die 5-Ah-Klasse für Hybridelektrik, die 20-Ah-Klasse für Plug-Ins, die 60-Ah-Klasse für reine Elektrofahrzeuge und die 4,0-Ah/11-Ah-„Hi Cap“-Klasse für Mikro-/Mild-HEVs. Die Samsung 5,2-Ah-Klasse ist die kleinste und leistungsstärkste Zelle der Welt, während die 5,9-Ah-Klasse die höchste Leistungsdichte aller Zellen der Branche bietet und derzeit für Mild(?)-Hybrid-SUVs und Hybrid-Supersportwagen in Serienproduktion geht.
Mit Blick auf die Zukunft hat sich Samsung bis zum Ende des Jahrzehnts Ziele für technologische Fortschritte bei Batterien gesetzt. Bis 2016 soll eine neue (NCM) Nickel-Kobalt-Mangan-Batterie eine Energiedichte von 130 Wh/kg liefern. Bis 2019 plant Samsung eine fortschrittliche NCM mit 250 Wh/kg. Während viele in der Branche die Einführung der Lithium-Luft-Brennstoffzelle vorantreiben, will Samsung dieses Ziel bis 2020 erreichen. Die Batterie, die Samsung im Sinn hat, soll eine Energiedichte von über 300 Wh/kg haben.
Darüber hinaus verfügt Samsungs EV-Batterie der 60-Ah-Klasse über die höchste volumetrische Energiedichte der Branche und wird derzeit für europäische und US-amerikanische OEMs in Serie produziert. Die 26-Ah- und 28-Ah-Batterien verfügen über die höchste volumetrische Leistungs- und Energiedichte der Branche. Ein stapelbares und kompaktes Design ermöglicht Zellmodularität und einfache Verpackung. Diese werden für europäische OEMs produziert.
Man kann davon ausgehen, dass Samsung in den nächsten 2-3 Jahren weiterhin Nickelbatterien herstellen wird, ohne die chemischen Zusammensetzungen drastisch zu ändern. Durch technologische Entwicklungen könnte sich die Amperezahl pro Stunde unter Verwendung vorhandener Materialien verdoppeln. Es sind keine wesentlichen Änderungen an den Anoden in Sicht, da das Unternehmen weiterhin mit Additiven und Separatoren experimentiert. Sicherheitsgenehmigungen werden wesentliche Änderungen vor 2020 zunichte machen. Samsung rechnet gegen 2030 mit weiteren Möglichkeiten zur Produktentwicklung, einschließlich Lithium-Luft. Samsung könnte die Kosten senken und die Energiedichte der Batterie erhöhen, indem es Chemikalien aus seinem 1850 in einer quadratischen Batterie verwendet, aber die Vorschriften der chinesischen Regierung erlauben dies nicht.
Bis 2020 erwartet Samsung eine steigende Nachfrage nach Hochspannungs-48-V- und Niederspannungs-Lithiumbatterien, um die CO2-Werte gemäß den Horizont-2020-Zielen zu erreichen. Derzeit liegt Samsung nach Nissan Leaf auf Platz zwei. Eine Partnerschaft mit BMW könnte den Marktanteil erhöhen und Samsung in die Top 3 bringen.
In der Zwischenzeit hat Ford gemeinsam mit Samsung SDI an der Entwicklung einer Hybridtechnologie mit regenerativem Bremsen gearbeitet, die bis zu 95% der Energie speichern kann, die normalerweise beim Bremsen des Fahrzeugs verloren geht. Das System gilt als kurzfristige Lösung zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen und arbeitet mit Fords Auto Start-Stop zusammen, das den Motor abschaltet, wenn das Fahrzeug anhält, um Kraftstoff zu sparen. Eine spezielle Batterie versorgt interne Systeme und Zubehör mit Strom, bis die Bremse gelöst wird. Dann startet der Motor neu. Langfristig entwickeln Ford und Samsung SDI eine ultraleichte Lithium-Ionen-Batterie, die bis zu 30% kleiner ist als bestehende Hybridbatterien. Sie besteht aus Nickel-Metallhydrid und kann potenziell bis zu dreimal so viel Leistung liefern. Durch den Einsatz von Strategien zur Gewichtsreduzierung in einem Konzeptfahrzeug könnte das Endergebnis eine höhere Leistung und Effizienz bieten. Ford hat $135M in die Produktion, das Design und die Konstruktion der erforderlichen Batteriekomponenten sowie die anschließenden Testverfahren investiert. Darüber hinaus unterstützt Ford die laufende Energiespeicherforschung am Lawrence Berkeley National Laboratory. Ford ist an Lösungen für das Ende der Lebensdauer von Fahrzeugen (ELVS) interessiert, die das Management giftiger Substanzen und die Recyclingfähigkeit von Altbatterien umfassen. Kunden können ihre alten Batterien jetzt zu teilnehmenden Händlern bringen, wo sie kostenlos recycelt werden.
„Biegsame“ Batterien von Samsung – Samsung SDI hat auf der InterBattery-Messe 2014 in Südkorea eine neue rollbare, biegsame Batterie vorgestellt. Diese Batterie kann in eine U-Form gebogen oder um eine Tasse gewickelt werden. Wahrscheinlicher ist, dass sie in tragbarer Form am Handgelenk der Menschen zu finden sein wird, wie die gebogene 210-mAh-Zelle im Gear Fit-Fitnessarmband. Derzeit befinden sich die Batterien noch in der Entwicklung, um ihre Zuverlässigkeit und Sicherheit zu verbessern, und es kann noch einige Zeit dauern, bis sie für die Öffentlichkeit erhältlich sind. LG Chem ist ebenfalls an tragbaren Geräten interessiert und hat ähnliche Batterien in der Entwicklung, obwohl ihr Schwerpunkt in letzter Zeit auf der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge liegt.
Sakti3
Dieses aufstrebende Start-up aus Michigan hat sich zum Ziel gesetzt, Lithiumbatterien so effizient und kostengünstig wie Computerchips herzustellen. Sakti3, das geistige Kind der CEO und Gründerin Ann Marie Sastry, gab 2014 bekannt, dass es kurz vor einem großen Durchbruch in der Batterietechnologie stehe. Sie entwickeln eine Batterie, die ihrer Aussage nach die doppelte Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien zu einem Fünftel der Kosten haben soll. Könnte dies die Technologie sein, die den Kunden den Preis und die Reichweite bietet, die sie brauchen, um auf ein umweltfreundliches Auto umzusteigen? Vielleicht. Sakti3 hat $30M an Forschungsgeldern von Geldgebern wie japanischen Industriellen, Itochu, Khosla Ventures, General Motors und dem Bundesstaat Michigan angehäuft.
Sakti3 behauptet, eine Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie entwickelt zu haben, die ähnliche Produktionsmethoden wie Solarzellen und Flachbildschirme verwendet. Diese Vakuumabscheidungstechnologie hat das Potenzial, Sakti3 einen kostengünstigen und schnellen Herstellungsprozess zu ermöglichen. Derzeit produziert das Unternehmen Zellen auf einer bescheidenen Pilotproduktionslinie in Michigan und hofft, sie in den nächsten Jahren auf den Markt zu bringen.
Es gibt jedoch Hürden. Um im großen Maßstab zu produzieren, sind die Herstellungskosten exponentiell höher und teurer. Auch die Herstellung von Batterien in funktionsfähiger Größe und in großen Mengen ist eine große Herausforderung. Es bestehen Zweifel, ob Festkörperbatterien die schnelle Beschleunigung bieten können, die heutige Fahrzeuge benötigen – ein Problem, das frühere Befürworter von Festkörperbatterien nicht lösen konnten. Es ist fraglich, ob solche Batterien extremen Temperaturen standhalten können. Wären sie robust genug, um den Strapazen der Straße standzuhalten? Es gibt andere, die mitmischen, darunter Toyota und Emporkömmlinge wie Solid Power Battery in Colorado und Seeo in Kalifornien. Andere wie Planar Energy haben bereits das Handtuch geworfen.
Sakti3 hat sich zum Ziel gesetzt, zunächst Festkörperbatterien für Smartphones zu entwickeln, die deren Lebensdauer verdoppeln können. Danach werden sie sich Autobatterien zuwenden. Auf lange Sicht sieht Sakti3 Festkörperbatterien für die Speicherung von Wind- und Solarenergie im Versorgungsmaßstab vor. Frost und Sullivan gehen davon aus, dass der Markt für Lithiumbatterien bis 2020 $76,4 Milliarden erreichen wird, mit einem Wachstum von bis zu 25%. Ann Marie Sastry weiß, dass sie einen Partner mit Erfahrung im Bereich der Großbatterien braucht. Hilfe könnten große asiatische Hersteller mit standardisierten Zellformaten für viele Sektoren, bewährten Testergebnissen sowie Marketing- und technischen Vertriebsteams mit Erfahrung im Umgang mit anspruchsvollen Sektoren bieten.
LG Chemical
Das koreanische Unternehmen LG Chem hat kürzlich angekündigt, dass es bis 2016 eine EV-Batterie mit einer Reichweite von 200 Meilen liefern könnte. Wen es mit dieser Batterie beliefern wird, bleibt ein Geheimnis, aber der beste Kandidat scheint General Motors zu sein. GM verwendet LG Chem-Zellen für den Cadillac EDR, den Chevy Volt und für die exportierten Volt/Ampera. LG Chem liefert jedoch auch Batterien an konkurrierende Autohersteller wie Hyundai, Kia, Volvo, Renault und Ford. GM hat Tesla genau beobachtet, um zu sehen, wie sich ihr geplantes 200-Meilen-Auto entwickelt (es wird für 2016-2017 erwartet).
Die geplante 200-Meilen-Batterie, die sich derzeit in der Entwicklung befindet, soll eine verbesserte Energiedichte mit beutelartigem Verpackungsmaterial aufweisen, um hohen Temperaturen standzuhalten. Die Leistungsdichte soll sich auf etwa 400 kWh verbessern. Gleichzeitig sollen die Herstellungskosten um bis zu 30% sinken. $14B LG Chem ist natürlich ein weltweit führender Lieferant von Lithium-Ionen-Batterien. Dies ist ein primärer Wachstumsbereich für das Unternehmen. In den letzten sieben Jahren sind die Investitionen in Lithium-Ionen-Batterien um das Fünffache gestiegen. Das Unternehmen verfügt über vier Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen in den USA, China, Japan und Südkorea sowie drei Produktionsstätten in Südkorea und China, die sich alle auf die Produktion und Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien konzentrieren.
Die Batteriezellen von LG Chem haben einen laminierten, rechteckigen Kern. Es werden Anstrengungen unternommen, um den Kernraum der Zellen zu maximieren und die Laminierung zu minimieren. Bis 2020 hoffen sie, ihr derzeitiges Verhältnis von 1:3 deutlich zu verbessern, um den Kern der Zelle zu vergrößern und die Laminierung weiter zu minimieren. Der chemische Formfaktor von LG ist beutelförmig. Verschiedene Formfaktoren von Zellen haben Vor- und Nachteile, und einige OEMs bevorzugen eine Form gegenüber der anderen. Für Hybridelektrofahrzeuge verwendet Ford chemische Stoffe von Panasonic, die zylindrisch sind. Aber was die Batterieelektrofahrzeuge betrifft, verwenden sie eine völlig andere Chemie und einen anderen Formfaktor als LG Chem. Was die Elektrolyte betrifft, glauben einige, dass das Unternehmen einen festen Typ verwenden wird, obwohl es möglich ist, dass gelförmige Elektrolyte verwendet werden.
Das Unternehmen ist zuversichtlich, den Markt richtig einzuschätzen und ist überzeugt, dass bei 12-48-Volt-Batterien Wachstumspotenzial besteht. LG Chem entwickelt Technologien, um in diesem Bereich wettbewerbsfähig zu sein. Außerdem bestehen gute Synergien mit Unternehmen wie Samsung und Panasonic, die es dem Unternehmen ermöglichen, mit Regierungen zusammenzuarbeiten, um die Batterietechnologie in Bezug auf Chemie und Verpackung voranzutreiben, was die Kosten senken kann. Einige glauben, dass die billigste 12-Volt-Batterie im Jahr 2022 170-180 Euro kosten wird.
Im chinesischen Nanjing entsteht eine neue Fabrik für Batterien für Elektroautos, um die steigende Nachfrage auf dem größten Automobilmarkt der Welt zu befriedigen. Die Fertigstellung ist für Ende 2015 geplant. Das Werk in Nanjing wird die chinesischen Autohersteller SAIC, Qoros und andere beliefern. Vor Kurzem hat sich LG Chem mit den chinesischen Staatsunternehmen Nanjing Zijin Technology Incubation Special Park Construction Development Co., Ltd. und Nanjing New Industrial Investment Group Ltd. zusammengeschlossen. Gemeinsam werden sie Batterien für Elektroautos herstellen. LG hat massiv in das Unternehmen investiert und rechnet damit, dass es bis 2020 $1T Umsatz erwirtschaften wird.
LG Chemical ist wie 3M und Panasonic daran interessiert, Batterien mit Anoden auf Siliziumbasis auf den Markt zu bringen, und könnte sich als starker Konkurrent erweisen. NCA (Nickel-Kobalt-Aluminium) wird wahrscheinlich eines der Materialien sein, die für die Kathode verwendet werden. Viele Unternehmen möchten die Technologien lizenzieren, die aus Universitäten und staatlich subventionierten Labors stammen. Unternehmen wie Amprius haben ähnliche Technologien entwickelt und sind bestrebt, viele Möglichkeiten zur Einbindung von Silizium in Batterien zu erkunden. Es wird sicherlich zu Patentkonflikten kommen, da große und kleine Unternehmen ihre Vorherrschaft in diesem risikoreichen Batterieschlachtfeld anstreben.
Johnson Controls
Johnson Controls ist der weltweit größte Batteriehersteller mit 15.000 Mitarbeitern an 50 Standorten weltweit und liefert jährlich ein Drittel (über 140 Millionen) der Batterien der Branche an Automobilhersteller und Einzelhändler. Dazu gehören auch Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Johnson Controls hat seine NMC-Batteriechemie mit der Absicht entwickelt, einige der weltweit größten Automobilaufträge zu gewinnen, hat sich jedoch geweigert, Fabriken speziell für den Markt für Elektrofahrzeugbatterien zu bauen. AESC, ein Gemeinschaftsunternehmen mit Nissan Motor Company und NEC, ist der einzige Hersteller von Lithium-Ionen-Zellen, der direkt einem Automobilhersteller gehört. Das Unternehmen hat eine enorme Menge an Batterien hergestellt, insbesondere für den Nissan Leaf.
Im Jahr 2012 erwarb Johnson Controls A123 Systems für $125M. Zu diesen Vermögenswerten gehörten Produkte und bestehende Verträge, Lithium-Ionen-Batterietechnologie, Fabriken in Michigan, Kathodenstrahlanlagen in China und Anteile an einem chinesischen Batterieunternehmen. Das Unternehmen war letztendlich gezwungen, Insolvenzschutz zu beantragen.
Seitdem ist Johnson Controls weiterhin auf Erfolgskurs. Prognosen für 2015 gehen davon aus, dass das Unternehmen hohe Gewinnmargen und große Chancen für weiteres Wachstum in China erwartet, wo es 2014 über $8B erwirtschaftete. Johnson Controls hat kürzlich in Chongqing eine neue, 133.000 Quadratmeter große Batteriefabrik ($154M) eröffnet, in der das Unternehmen voraussichtlich bis zu 6 Millionen Batterien pro Jahr herstellen wird.
Autofirmen
Kürzlich, Volkswagen hat sich mit Sanyo zusammengetan, um eine Batterie zu entwickeln, die potenziell die vierfache Leistung liefern könnte, die bisher verfügbar war. Sie wurde mit Volkswagen-Technologie entwickelt und könnte potenziell 80 kWh liefern. Insider gehen davon aus, dass es sich um eine Lithium-Luft-Einheit in der frühen Entwicklungsphase handelt.
Man schätzt, dass Tesla wird bis 2017 zwei Milliarden Lithium-Ionen-Zellen verbrauchen. Sowohl das Model S als auch das Model X verwenden die 18650-Zelle. Mit der größten Batterie in einem Elektroauto (85 kWh) bietet das Model S die längste Reichweite. Der Antriebsstrang nutzt das NMC-Lithium-Ionen-System von Johnson Control, das auch in E-Bikes, militärischen und medizinischen Geräten sowie Elektrowerkzeugen zu finden ist. Bis 2020 könnte Tesla zur Kosteneinsparung auf Siliziumkarbid-Leistungselektronik umsteigen. Siliziumkarbid ist ein Material mit großem Bandabstand, das effizienter ist und zu Stromeinsparungen von bis zu 20% für das Model S führen könnte. Dies entspricht einer potenziellen Einsparung von $6.000 bei den Batteriekosten.
General Motors arbeitet mit dem Electric Power Research Institute und 15 anderen Versorgungsunternehmen an der Entwicklung eines „intelligenten“ Ladesystems für Plug-in-Fahrzeuge. BMW, Honda, Mitsubishi, Ford, Toyota, Mercedes-Benz und Chrysler sind ebenfalls Teil dieses Konsortiums. Das Gesamtkonzept besteht darin, ein „Demand-Charging“-System zu schaffen, das es Versorgungsunternehmen und Plug-in-Fahrzeugen ermöglicht, miteinander zu kommunizieren, sodass während der Spitzenzeiten die Fahrzeugladung gedrosselt und damit die Energiekosten gesenkt werden. Das System ist erforderlich, da die Anzahl der Plug-in-Fahrzeuge auf den Straßen stetig zunimmt. Die Autohersteller hoffen, eine offene Plattform zu schaffen, die mit jedem ihrer Plug-in-Fahrzeuge kompatibel ist.
BMW bietet eine Vielzahl von Ladeoptionen für seine bestehenden Modelle an, darunter SAE-Kombi-Schnellladegeräte und Solar-Ladestationen. Auf einer kürzlich in San Jose, Kalifornien, abgehaltenen Plug-in-Konferenz hat BMW ein neues iDC-Schnellladegerät und das sogenannte ChargeNow DC Fast Program angepriesen. Das iDC-Schnellladegerät von BMW ist kleiner und günstiger als andere seiner Klasse. Ein Kombistecker macht es mit VW, Chevy, Ford und anderen Elektrofahrzeugen kompatibel. Das iDC-Schnellladegerät lädt ein Fahrzeug in etwa 30 Minuten auf 801 TP3T auf. Der Zugang zu den Ladegeräten erfolgt über ChargePoint- oder ChargeNow-Karten. BMW bietet Fahrern bis Ende 2015 an teilnehmenden NRG eVgo Freedom Stations kostenloses Laden an, sofern sie die Karte erstmals bis Ende 2014 verwenden. 50 dieser Ladegeräte werden bis 2016 in Kalifornien verfügbar sein.
Toyota erforscht derzeit Möglichkeiten für Festkörperbatterien sowie Lithium-Luft-Technologien und plant langfristig, bis 2020 von Lithium-Ionen-Batterien umzusteigen. Darüber hinaus wird der Autohersteller in Japan bald den Mirai vorstellen, ein Elektrofahrzeug mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb.
Nissan hat mit bedeutenden japanischen Universitäten an der Entwicklung einer Analysemethode gearbeitet, mit der die Elektronenaktivität im Kathodenmaterial von Lithium-Ionen-Batterien während des Ladens und Entladens direkt beobachtet werden kann. Dies könnte möglicherweise zur Herstellung langlebiger Batterien mit hoher Kapazität führen, die dazu beitragen können, die Reichweite von emissionsfreien Elektrofahrzeugen zu verlängern. Die neue Analysemethode kombiniert Röntgenabsorptionsspektroskopie, die L-Absorptionskanten nutzt, und die erste Hauptberechnung des japanischen Earth Simulator Supercomputers. Es werden lithiumreiche Materialien analysiert, die eine Steigerung der Energiedichte um bis zu 50% versprechen. Es wurde festgestellt, dass in einem Zustand hohen Potenzials Elektronen aus Sauerstoff während des Ladens aktiv waren. Gleichzeitig waren während der Entladereaktion Manganelektronen aktiv. Nissan hält dies für einen großen Schritt hin zur Entwicklung lithiumreicher Elektrodenmaterialien, mit denen Batterien mit hoher Kapazität und längerer Lebensdauer hergestellt werden können.
Lithium-Ionen-Batterien: Sicherheits-, politische und Patentfragen
Sicherheitsprobleme
Trotz des Erfolgs von Lithium-Ionen-Batterien auf dem Weltmarkt sind Sicherheitsbedenken und Probleme in Bezug auf die Batterien selbst aufgetreten. So musste Sony 2006 6M-Batterien zurückrufen, die eine Ausfallrate von 1:200.000 aufwiesen. Sony gab an, dass mikroskopisch kleine Metallpartikel möglicherweise mit Batteriezellen in Kontakt kommen und Kurzschlüsse und Brandausbrüche verursachen könnten. Diese Rate wurde inzwischen auf 1:10.000.000 gesenkt. Lagerhausbrände waren Berichten zufolge keine Seltenheit. Es gab auch Bedenken hinsichtlich der schnellen Demontage und möglicher interner Kurzschlüsse.
Beim Chevy Volt gab es Brandprobleme im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien. Ein Akku, der von der NHTSA einem Crashtest unterzogen wurde, fing Wochen nach dem ersten Test in einem Lagerbereich Feuer. Bei weiteren Tests wurde das Szenario nachgestellt, und es kam zu weiteren Bränden. Mitglieder des US-Kongresses fragten GM- und NHTSA-Beamte, warum die NHSTA die Vorfälle erst 5 Monate nach ihrem Auftreten gemeldet habe.
Politische Probleme
Staatliche Eingriffe und Regulierungen beeinträchtigen häufig den Fortschritt der Hybrid-/Elektrobatterieindustrie. Grüne Technologie selbst ist oft ein Streitpunkt zwischen jenen, die an der bestehenden, auf Erdöl basierenden Energiewirtschaft festhalten, und jenen, die fortschrittlichere Umweltprogramme vorantreiben wollen.
China verfolgt eine nationale Politik zur Förderung von Elektrofahrzeugen, die allerdings nicht so erfolgreich war wie erhofft. Manche meinen, wenn die Regierungen mehr Druck ausüben, um mehr Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen, könnten sie dies durch Steuern und attraktive Anreize erreichen. Um die gewünschten höheren Verkaufszahlen zu erreichen, sind das richtige wirtschaftliche Gleichgewicht und Anreizpakete erforderlich.
Das US-Energieministerium (DOE) will die Erdölimporte bis 2020 halbieren. Außerdem sollen die Autoemissionen um 17% niedriger sein als im Jahr 2005. Zu diesem Zweck setzt man auf Wasserstoffbrennstoffzellen, Batterie-Upgrades, Innovationen bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen und Biokraftstoffe. All das ist in ihrem Strategischer Plan 2014-2018 Dokument, das kürzlich vom Energieministerium veröffentlicht wurde. Aus diesem Grund können viele Unternehmen mit staatlichen Mitteln rechnen, die ihnen dabei helfen, diese Ziele zu erreichen. Im Rahmen des Fünfjahresplans des Energieministeriums hofft man, dass erneuerbare Energien wie Wind, Sonne und Erdwärme ihre Produktion im festgelegten Zeitraum verdoppeln können, was zu einigen unvermeidlichen öffentlich-privaten Partnerschaften führen wird.
Der Fiskus kommt … Mark Gottleib, Verkehrsminister des Bundesstaates Wisconsin, hat eine Zulassungsgebühr von $50 für Besitzer von Hybrid- und Elektrofahrzeugen gefordert. Dies ist Teil seines Haushaltsantrags vom 14. November 2014. Minister Gottleib ist der Ansicht, diese Besitzer sollten „ihren angemessenen Anteil an den Betriebskosten unserer Infrastruktur zahlen“. Wenn dieser Antrag genehmigt würde, käme Wisconsin zu fünf weiteren US-Bundesstaaten (North Carolina, Nebraska, Colorado, Virginia, Washington), die Gebühren für Besitzer umweltfreundlicher Autos erhoben haben, um Einnahmen für die Benzinsteuer zu erzielen, die diese Fahrer sonst nicht zahlen müssten. Manche meinen jedoch, die vorgeschlagene Steuer bestrafe die Fahrer lediglich dafür, dass sie weniger Benzin verbrauchen.
Es herrschte ein lebhafter Wettbewerb, um Elon Musks $5B Giga Battery Factory nach Arizona, Texas, Nevada oder New Mexico zu locken. Auf dem Spiel standen geschätzte Milliarden Dollar an Direktinvestitionen und bis zu 6.500 neue Arbeitsplätze. Als Köder setzten die Politiker Versprechungen und Steuergelder ein. Um die Sache noch komplizierter zu machen, haben viele US-Bundesstaaten gesetzliche Maßnahmen eingeleitet, um Tesla daran zu hindern, direkt an ihre Kunden zu verkaufen. Minnesota und Massachusetts waren Tesla-freundlich, aber New York, Ohio und New Jersey zeigten sichtbaren Widerstand.
Der Gouverneur von Texas, Rick Perry, der über 14 Milliarden TP3 an politischen Spenden von Autohäusern erhielt, ging im vergangenen Juni sogar so weit, mit einem Tesla Model S durch Sacramento zu fahren, um Tesla zu beeindrucken. Es funktionierte nicht. Letztendlich gewann der Bundesstaat Nevada im September 2014 den Preis und wird Teslas neue Giga Factory beherbergen. Der Bundesstaat wurde Berichten zufolge aufgrund seiner Nähe zu Teslas nahegelegener Fabrik in Kalifornien und den Lithiumminen in Nevada ausgewählt. Ein Anreizpaket von 14 Milliarden TP3 hat Nevadas Überzeugungsarbeit sicherlich nicht geschadet.
In Kalifornien erarbeiten staatliche Behörden Initiativen, um bis 2025 1,5 Millionen emissionsfreie Fahrzeuge auf die Autobahnen des Staates zu bringen. Vor kurzem hat die kalifornische Energiekommission beschlossen, bis Ende 2015 fast 145.000 Tonnen Wasserstoff für 28 Wasserstofftankstellen und eine mobile Tankstelle zu verwenden.
Ladestationen – Infrastruktur aufbauen
„Reichweitenangst“ führt dazu, dass potenzielle Käufer umweltfreundlicher Fahrzeuge zurückschrecken, da sie nur kurze Strecken zurücklegen können, bevor sie aufgeladen werden müssen. Darüber hinaus stellt sich die Frage, wo man sein Hybrid-/Elektrofahrzeug aufladen kann. Da sich die Branche weiterentwickelt und wächst, wird eine unterstützende Infrastruktur an Ladestationen erforderlich sein, um den Anforderungen von immer mehr Elektrofahrzeugen auf den Straßen gerecht zu werden.
Derzeit befinden sich die meisten Ladestationen in der Nähe von Großstädten. Schätzungsweise gibt es weltweit einige Tausend solcher Stationen. Die meisten sind sich einig, dass ein gewisser privater Geldzufluss erforderlich sein wird, um die Infrastruktur auszubauen und den Kauf von Elektrofahrzeugen zu fördern. Dieser Bedarf wird noch dadurch verstärkt, dass Elektrofahrzeuge derzeit eine recht begrenzte Reichweite haben. Fahrer umweltfreundlicher Fahrzeuge werden sicherlich auch nach schnelleren Ladezeiten verlangen.
Es wird erwartet, dass sich der Lademarkt bis 2020 jedes Jahr verdoppelt. Neu entwickelte kabellose Ladesysteme werden die Dinge einfacher machen, da sie es den Fahrern ermöglichen, über Bodensensoren zu parken und ihre Fahrzeuge einfach und schnell aufzuladen, ohne dass Kabel angeschlossen sind. Zehn Autohersteller testen derzeit kabellose Systeme und viele werden kabellose Ladesysteme in ihre Fahrzeuge einbauen. Volkswagen könnte bis 2017 ein induktives System im Einsatz haben. Bis zum Ende des Jahrzehnts könnten die Verkaufszahlen kabelloser Ladegeräte 350.000 übersteigen.
Evatran, ein Unternehmen, das mit Duke Energy, Hertz und Google zusammengearbeitet hat, ist das erste Unternehmen, das für sein kabelloses Plugless L2-System die ETL-Zertifizierung erhalten hat. Das System von Evatran ist mit dem Plug-in mit erweiterter Reichweite des Chevy Volt und dem batterieelektrischen Nissan Leaf kompatibel und nutzt Magnetfelder und induktive Energie, um von einer Bodenmatte aus einen Bordadapter aufzuladen. Bisher wurden keine Sicherheitsvorfälle gemeldet.
Patentfragen
Seit der Einführung der Nickelhydrid-Batteriechemie in den frühen 90er Jahren, einer Chemie, die für die Entwicklung heutiger Hybridfahrzeuge von wesentlicher Bedeutung ist, wird vermutet, dass das US Auto Battery Consortium von der Automobilindustrie dazu benutzt wurde, die Technologie und Entwicklung von Elektroautos zu behindern. Dies könnte unter anderem dadurch erreicht werden, dass die Öffentlichkeit keine Kenntnis der entsprechenden Patente erhält. Die fraglichen Patente sind die des Ovonics-Gründers Stan Ovshinsky. Er behauptete, die Automobilindustrie habe fälschlicherweise behauptet, die NiMH-Technologie sei noch nicht ausgereift. 1994 übernahm GM die Mehrheitsbeteiligung an Ovonics und Patente für die Herstellung großer Nickel-Metallhydrid-Batterien. Noch später, im Jahr 2001, kaufte Texaco GMs Anteil an Ovonics und dann übernahm Chevron Texaco. Die Sache verschärfte sich.
Im Jahr 2003 wurde aus Texaco Ovonics zusammen mit Energy Conversion Devices Ovonics Cobasys. Chevron hielt einen Anteil von 19,991 TP3T an ECD Ovonics und hatte ein Vetorecht bei der Lizenzierung oder dem Verkauf von NiMH-Technologie. Chevron war auch der Ansicht, dass sie Anspruch auf die geistigen Eigentumsrechte von Cobasys hätten, falls ECD Ovonics seinen vertraglichen Verpflichtungen nicht nachkäme. Verwehrte Chevron den Zugang zu großen NiMH-Batterien, indem es Patentlizenzen kontrollierte, um den Wettbewerb einzuschränken? Ovshinsky war der Ansicht, dass ECD Ovonics im Unrecht war, indem es Geschäfte mit einer Ölgesellschaft machte, die beabsichtigte, sie aus dem Geschäft zu drängen.
Andernorts wurde Envia Systems von ehemaligen Führungskräften verklagt, die der Meinung waren, das Unternehmen habe seine Technologie missbraucht und die Technologie eines anderen Unternehmens als seine eigene ausgegeben. Dies alles geschah, um GM mit einer Batterie mit hoher Energiedichte zu beliefern.
Tesla machte kürzlich Schlagzeilen, als es seine Patente für alle Interessenten zugänglich machte. Einige Investoren und Elektroauto-Enthusiasten begrüßten die Neuigkeit mit Freude, andere zuckten mit den Schultern. Einige meinten, ein Patent allein liefere nur eine begrenzte Menge an Informationen. Außerdem können Patente schnell zu alten Nachrichten werden, wenn neue Produkte und Technologien auftauchen. Trotz der gemischten Reaktionen auf Teslas Angebot gibt es Gerüchte, dass Nissan und BMW im Juni 2014 heimliche Treffen mit Tesla abgehalten haben, um über Ladetechnologie zu sprechen. BMW bestätigte dieses Treffen. Honda und GM zeigten wenig Interesse an Elon Musks Angebot. Toyota, Chrysler und Ford schwiegen zu dem Thema. Mahindra soll Teslas Patente prüfen, um zu sehen, ob Anwendungen für die Entwicklung einer elektrischen Vento-Limousine in Bhutan von Nutzen sein könnten.
Auch in den kommenden Jahren werden sich die Batterietechnologie und -leistung weiterentwickeln, um den wirtschaftlichen Anforderungen des privaten und geschäftlichen Sektors gerecht zu werden. Umweltauflagen werden die Hersteller vor Herausforderungen stellen, da sie versuchen, die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Reichweite und Zuverlässigkeit ihrer Elektro- und Hybridfahrzeuge zu erhöhen. Hybrid- und Elektrofahrzeuge werden unweigerlich bleiben, und der Kampf um die Zukunft der Batterie wird weitergehen. Nur die Starken und die wirklich Innovativen werden überleben, und viele werden auf der Strecke bleiben, aber die Möglichkeiten dessen, was bis 2020 … 2030 … und darüber hinaus kommen wird, beflügeln die Vorstellungskraft der besten Köpfe und Visionäre der Branche. Sie werden die Durchbrüche erzielen, die unsere batteriebetriebene Zukunft so gut wie möglich machen.
Einige der bei der Erstellung dieses Dokuments verwendeten Informationen stammen aus den folgenden Quellen. (Konkrete Beispiele und Referenzen auf Anfrage erhältlich):
about.com – Stanford.edu – Der strategische Zauberer – Frost und Sullivan – Handleman Post – batterypoweronline.com – greenautoblog.com – futuretech.com – hybridcars.com – idtechex.com – Diesel Technology Forum – makeuseof.com – insideevs.com – oilprice.com – cleantechnical.com – greentechmedia.com – Bloomberg.com – futureextremetech.com – Wikipedia – autoblogquebec14.com – hydrogenfuelnews.com – autobloggreen.com – Koreanherald.com – greencarcongress.com – triplepundit.com – 4evriders.org – cleantechnica.com – autocar.co.uk – designnews.com – motleyfool.com – batteryuniversity.com – automotive-fleet.com – autoblog.com – prnewswire.com – digitaltrends.com – greencarreports.com – hyundaicarsindia.in – digitaltrends.com – nissan-global.com – nbc.com – dallasnews.com – caranddriver.com – plugincars.com – media.ford.com – fortune.com – cartalk.com – lgcpi.com/chem.shtml – hybridcars.com – environmentalleader.com – abcnews.com – foxnews.com – wallstreetcheatsheet.com – scientificamerican.com – businesscafe.com – National Legal Policy Center – Rollcall.com – US-Energieministerium – theenergycollective.com – phoenixbusinessjournal.com – Reno Gazette-Journal – Frost and Sullivan – infosources.org – the energyroadmap.com – nbcnews.com – besttopics.net – autobytel.com – cnbc.com – inhabitat.com – telematicswire.net – Chargedevs.com – luxresearchinc.com – bing.com – 2016hybridcars.com – Isustainableearth.com – Museum Autovision – hislimited.co.uk – scienceblogs.com – psipunk.com
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