Warum China die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien dominieren kann

Ist Lithium-Ionen die ideale Batterie?

Viele Jahre lang war Nickel-Cadmium die einzige geeignete Batterie für tragbare Geräte von der drahtlosen Kommunikation bis zum mobilen Computing. Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ionen entstanden Anfang der 1990er Jahre und kämpften Kopf an Kopf um die Akzeptanz der Kunden. Heute ist Lithium-Ionen die am schnellsten wachsende und vielversprechendste Batteriechemie.

Die Welt wird zunehmend elektrifiziert. Entwicklungsländer erhöhen nicht nur die Verfügbarkeit von Elektrizität für ihre Bevölkerung, sondern auch die Elektrifizierung der bestehenden Verkehrsinfrastruktur schreitet rasant voran. Bis 2040 werden voraussichtlich mehr als die Hälfte der Autos auf den Straßen elektrisch angetrieben sein.

Eine kurze Geschichte der Batterien

Batterien gehören schon lange zu unserem täglichen Leben. Die erste echte Batterie der Welt wurde 1800 vom italienischen Physiker Alessandro Volta erfunden. Die Erfindung stellte einen bemerkenswerten Durchbruch dar, doch seitdem gab es nur eine Handvoll bedeutender Innovationen.

Die erste war die Blei-Säure-Batterie, die 1859 erfunden wurde. Sie war die erste wiederaufladbare Batterie und ist auch heute noch die am häufigsten zum Starten von Verbrennungsmotoren verwendete Batterie.

In den letzten zwei Jahrhunderten gab es einige innovative Batteriedesigns, aber erst 1980 wurde ein echter Game-Changer erfunden. Damals führten Durchbrüche an der Universität Oxford und der Stanford University zur Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie. Sony brachte 1991 den ersten Lithium-Ionen-Akku auf den Markt.

Was ist das Besondere an Lithium?

Lithium ist in vielerlei Hinsicht ein besonderes Metall. Es ist leicht und weich – so weich, dass es mit einem Küchenmesser geschnitten werden kann, und von so geringer Dichte, dass es auf dem Wasser schwimmt. Darüber hinaus ist es in einem weiten Temperaturbereich fest und hat einen der niedrigsten Schmelzpunkte aller Metalle sowie einen hohen Siedepunkt.

Wie sein Alkalimetallkollege Natrium reagiert Lithium in auffälliger Form mit Wasser. Die Kombination aus Li und H2O bildet Lithiumhydroxid und Wasserstoff, die typischerweise in rote Flammen aufgehen.

Es gibt viele Aspekte Lithium-Ionen-Akku Sicherheit im gesamten Designprozess, einschließlich sicherer Batteriestruktur, sicherer Rohstoffe, Schutzfunktionen und Sicherheitszertifizierungen. In einem Interview mit China Electronics News sagte Herr Su Jinran, stellvertretender Chefingenieur, dass die Produktsicherheit bereits beim Produktdesign beginnt und daher die Auswahl der richtigen Elektrodenmaterialien, Separatoren und Elektrolyte für ein sicheres Batteriedesign oberste Priorität habe. Bei den Batterieanodenmaterialien sind die ternären Materialien Manganlithium und Lithiumeisenphosphat, die bei der Batteriekonstruktion weit verbreitet sind und eine zufriedenstellende Leistung erbrachten, sicherer als herkömmliches Lithiumkobaltat und Nickellithium.

Lithium-Ionen-Batterien erfreuen sich großer Beliebtheit, da sie gegenüber konkurrierenden Technologien eine Reihe wichtiger Vorteile bieten:

● Sie sind im Allgemeinen viel leichter als andere Arten von wiederaufladbaren Batterien derselben Größe. Die Elektroden einer Lithium-Ionen-Batterie bestehen aus leichtem Lithium und Kohlenstoff. Lithium ist zudem ein hochreaktives Element, das heißt, in seinen Atombindungen kann viel Energie gespeichert werden. Dies führt zu einer sehr hohen Energiedichte für Lithium-Ionen-Batterien. Hier finden Sie eine Möglichkeit, sich einen Überblick über die Energiedichte zu verschaffen. Eine typische Lithium-Ionen-Batterie kann 150 Wattstunden Strom in 1 Kilogramm Batterie speichern. Ein NiMH-Akku (Nickel-Metallhydrid) kann etwa 100 Wattstunden pro Kilogramm speichern, typischer wären jedoch 60 bis 70 Wattstunden. Eine Blei-Säure-Batterie kann nur 25 Wattstunden pro Kilogramm speichern. Mit der Blei-Säure-Technologie werden 6 Kilogramm benötigt, um die gleiche Energiemenge zu speichern, die eine 1-Kilogramm-Lithium-Ionen-Batterie verarbeiten kann. Das ist ein riesiger Unterschied [Quelle: Everything2.com ].

● Sie behalten ihre Verantwortung. Ein Lithium-Ionen-Akku verliert nur etwa 5 Prozent seiner Ladung pro Monat, verglichen mit einem Verlust von 20 Prozent pro Monat bei NiMH-Akkus.

● Sie haben keinen Memory-Effekt, was bedeutet, dass Sie sie vor dem Aufladen nicht vollständig entladen müssen, wie bei einigen anderen Batteriechemien.

● Lithium-Ionen-Akkus können Hunderte von Lade-/Entladezyklen bewältigen.

● Das heißt nicht, dass Lithium-Ionen-Akkus einwandfrei sind. Sie haben auch einige Nachteile:

● Sie beginnen sich zu verschlechtern, sobald sie das Werk verlassen. Sie halten ab dem Herstellungsdatum nur zwei bis drei Jahre, unabhängig davon, ob Sie sie verwenden oder nicht.

● Sie reagieren äußerst empfindlich auf hohe Temperaturen. Hitze führt dazu, dass Lithium-Ionen-Akkus viel schneller abbauen, als dies normalerweise der Fall wäre.

● Wenn Sie einen Lithium-Ionen-Akku vollständig entladen, ist er zerstört.

● Ein Lithium-Ionen-Akkupack muss über einen Bordcomputer zur Verwaltung des Akkus verfügen. Das macht sie noch teurer, als sie ohnehin schon sind.

● Es besteht ein geringes Risiko, dass ein Lithium-Ionen-Akku bei einem Ausfall in Flammen aufgeht.

Innovationsbasierte Standardsetzung

Aufgrund der Komplexität des Sicherheitsmechanismus für Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere der Auswirkungen auf die Sicherheit nach der Wiederverwendung der Batterien, sollte der Prozess des Verständnisses der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien und der Festlegung ihrer Standards schrittweise und schrittweise erfolgen. Auch die Entwicklung und Anwendung externer Kontrolltechniken sollte in Betracht gezogen werden. Su schlug das als Einstellung vor Lithium-Ionen-Akku Sicherheitsstandards sind eine hochtechnische Aufgabe. An dem Prozess, einschließlich experimenteller Verifizierungsarbeiten, sollten sowohl Standardisierungsexperten von Batteriestandardisierungsgremien als auch technische Spezialisten aus der Batterieindustrie, Anwendern und Bereichen der elektronischen Steuerung beteiligt sein.

Der leitende Ingenieur des China Electronics Standardization Institute, Herr Sun Chuanhao, sagte, dass Lithium-Ionen-Batterien derzeit in Energietypen und Leistungstypen unterteilt werden könnten. Da diese beiden Produkte unterschiedliche Materialien und Konstruktionsstrukturen aufweisen, sind ihre Prüfmethoden und Anforderungen unterschiedlich, selbst unter den gleichen Sicherheitsbedingungen. Die sogenannten tragbaren Batterien gehören zu den Energiebatterien, darunter Lithium-Ionen-Batterien, die in Mobiltelefonen, Laptops, Digitalkameras und Videokameras verwendet werden, während die Energiebatterien für Elektrowerkzeuge, Elektrofahrräder und Elektrofahrzeuge bestimmt sind.

Laut der Forschungsorganisation BloombergNEF ist der volumengewichtete durchschnittliche Preis für Lithium-Ionen-Batteriepacks (einschließlich Zelle und Pack) von 2010 bis 2018 um 85 % gesunken und erreichte einen Durchschnitt von 176 US-Dollar/kWh. BloombergNEF prognostiziert außerdem, dass die Preise bis 2024 auf 94 $/kWh und bis 2030 auf 62 $/kWh sinken werden.

Diese sinkende Kostenkurve hat wichtige Auswirkungen für jedes Unternehmen, das Batterien in seinem Betrieb nutzt, oder für diejenigen, die Energie speichern müssen (z. B. Stromerzeuger). Bisher entfielen die meisten Verkäufe von Lithium-Ionen-Batterien auf den Bereich der Unterhaltungselektronik, künftig werden die Verkäufe jedoch zunehmend von Elektroautos getragen.

Die meisten Autos auf den Straßen sind heute noch mit einer Blei-Säure-Batterie und einem Verbrennungsmotor ausgestattet. Doch der Absatz von Elektrofahrzeugen – angetrieben durch Lithium-Ionen-Batterien – hat sich in den letzten fünf Jahren mehr als verzehnfacht. Darüber hinaus erlassen immer mehr Länder künftige Verbote für Autos mit Verbrennungsmotor, in der Erwartung, dass Elektrofahrzeuge irgendwann den Individualverkehr dominieren werden.

Dies bedeutet natürlich, dass die Nachfrage nach Batterien in Zukunft weitaus größer sein wird. So sehr, dass der Elektrofahrzeughersteller Tesla in Zusammenarbeit mit Panasonic Milliarden von Dollar in den Bau neuer Fabriken für Lithium-Ionen-Batterien investiert. Dennoch fallen die US-Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien bei ihren Marktanteilen zurück.

Ein damit verbundener Wachstumsmarkt für Lithium-Ionen-Batterien sind Schwerindustrieanwendungen wie Gabelstapler, Kehrmaschinen und Scheuersaugmaschinen, Bodenunterstützungsanwendungen auf Flughäfen und automatisch geführte Fahrzeuge (AGVs). Diese Nischenanwendungen wurden in der Vergangenheit von Blei-Säure-Batterien und Verbrennungsmotoren bedient, doch die wirtschaftlichen Gesichtspunkte haben sich rasch zugunsten von Lithium-Ionen-Batterien verlagert.

China auf dem Fahrersitz

Laut einer Analyse von BloombergNEF gab es Anfang 2019 weltweit eine Produktionskapazität für Lithiumzellen von 316 Gigawattstunden (GWh). China verfügt über 73 % dieser Kapazität, gefolgt von den USA, die mit 12 % der weltweiten Kapazität weit abgeschlagen auf dem zweiten Platz liegen.

Es wird erwartet, dass die weltweite Kapazität bis 2025 kräftig wachsen wird, wenn BloombergNEF eine weltweite Kapazität von 1.211 GWh prognostiziert. Die Kapazität in den USA wird voraussichtlich wachsen, jedoch langsamer als die weltweite Kapazität. Daher wird prognostiziert, dass der US-Anteil an der weltweiten Herstellung von Lithiumzellen schrumpfen wird.

Tesla versucht, dieses Problem durch den Bau eigener Batteriefabriken anzugehen, aber für Unternehmen, die eine breite Palette dieser Batterietypen anbieten, wie etwa das in Kalifornien ansässige Unternehmen OneCharge, hat sich die Suche nach lokalen Lieferanten als schwierig erwiesen. Ich habe kürzlich mit Alex Pisarev, CEO von OneCharge, gesprochen, der die Herausforderungen hervorhob, mit denen sein Unternehmen konfrontiert war:

„Amerikanische Hersteller würden gerne in den USA hergestellte Lithium-Ionen-Zellen verwenden“, sagte mir Pisarev, „aber das ist heute nicht realistisch.“ Deshalb müssen wir sie weiterhin aus China importieren.“

China geht den gleichen Weg wie zuvor bei Solarpaneelen. Während Solarzellen vom amerikanischen Ingenieur Russell Ohl erfunden wurden, dominiert China heute den globalen Markt für Solarmodule. Jetzt konzentriert sich China darauf, die weltweite Produktion von Lithium-Ionen-Batterien zu kontrollieren.

Ist es vorzuziehen, über möglichst günstige grüne Technologien zu verfügen, auch wenn das bedeutet, dass die Produktion an andere Länder abgegeben werden muss? Niedrige Preise für Solarmodule haben dazu beigetragen, dass das Wachstum neuer Photovoltaik-Anlagen explosionsartig angestiegen ist, was wiederum viele Arbeitsplätze in den USA gefördert hat. Der Großteil dieser Panels wird jedoch in China hergestellt. Die Trump-Administration hat versucht, dem entgegenzuwirken, indem sie Zölle auf importierte Solarmodule einführte, doch diese Zölle wurden von der Mehrheit der US-amerikanischen Solarindustrie vehement abgelehnt.

China verfügt über den großen Vorteil billiger Arbeitskräfte, der es ihm ermöglicht hat, viele verarbeitende Industrien zu dominieren. Aber China verfügt auch über mehr Lithiumreserven und eine viel größere Lithiumproduktion als die USA. Im Jahr 2018 lag die chinesische Lithiumproduktion bei 8.000 Tonnen, dem dritten Platz unter allen Ländern und fast dem Zehnfachen der US-Lithiumproduktion. Die chinesischen Lithiumreserven beliefen sich 2018 auf eine Million Tonnen, fast das 30-fache des US-amerikanischen Niveaus.

Der Weg nach vorne

Die Trends deuten darauf hin, dass Lithium-Ionen-Batterien Blei-Säure-Batterien im Transport- und Schwermaschinensektor zunehmend verdrängen werden. Dies ist eine entscheidende Entwicklung in einer Welt, die mit Rekord-Kohlendioxidemissionen zu kämpfen hat.

Aber können die USA mit einem solchen Vorteil sowohl bei den Herstellungskosten als auch bei der Rohstoffverfügbarkeit mit China auf dem Weltmarkt konkurrieren? Wenn nicht, können die USA einen wettbewerbsfähigen Markt für recyceltes Lithium entwickeln, da immer mehr Lithium-Ionen-Batterien das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen?

Das sind wichtige Fragen, die geklärt werden müssen.

Es ist unklar, wie China mit solchen Herausforderungen umgehen wird, aber angesichts seines unermüdlichen Strebens nach Lithium und der strategischen Bedeutung, die es dem Metall beimisst, werden zweifellos Lösungen gefunden. In vielerlei Hinsicht ist Chinas Engagement für umweltfreundlichen Transport eine gute Sache, da es das Interesse an diesem Sektor steigert und konkurrierende Länder dazu anspornt, zu versuchen, hinsichtlich ihres Anteils an der Lithiumversorgung und am Markt für wiederaufladbare Batterien aufzuholen. Die Gefahr besteht darin, dass sie weiterhin hinterherhinken und China ein Monopol auf einen Sektor bescheren, der bald zum Mainstream-Transportsektor werden könnte.

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