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#White Papers
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Innovationsprognosen für Elektrofahrzeugbatterien (2023)
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2022 war ein beispielloses Jahr für alle Aspekte sauberer und nachhaltiger Energie, wobei Elektrofahrzeuge in den meisten Kommentaren im Vordergrund standen. Dies ist vor allem auf das Aufkommen von Gesetzen zurückzuführen, wie z. B. die Notice of Proposed Rulemaking der US-Verkehrsbehörde Federal Highway Administration, die zur Schaffung und Standardisierung eines nationalen Ladenetzes für Elektrofahrzeuge (EV) beitragen soll.
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Darüber hinaus legt das Gesetz, das wohl eine der größten Einzelinvestitionen in der amerikanischen Klimageschichte darstellt, den Schwerpunkt auf die Reduzierung von Treibhausgasen durch eine Vielzahl von Bestimmungen, darunter auch solche, die der Elektrofahrzeugindustrie durch eine Reihe von Steuergutschriften Anreize bieten. Angesichts der großen Bedeutung, die der Gesetzgeber der Elektrofahrzeugindustrie beimisst, erörtert Dr. Michelle Tokarz, Vizepräsidentin für Partnerschaften und Innovation bei der Coretec Group, ihre Gedanken und Prognosen über die Richtung, die die Elektrofahrzeugbranche ihrer Meinung nach im Jahr 2023 einschlagen wird.
Aktuelle Herausforderungen für die EV-Ladeindustrie
Da die Gesetzgebung wahrscheinlich zu einem Anstieg der Produktion von EV-Fahrzeugen führen wird, werden entsprechende Ladestationen benötigt, um diese erhöhte Nachfrage zu befriedigen. Eine einfache Vervielfachung der derzeitigen Ladestationstechnologie ist jedoch nicht die Lösung. Derzeit benötigen die meisten Ladestationen mindestens 30 Minuten, um eine vernünftige Ladung zu ermöglichen, im Vergleich zu den 10-15 Minuten, die man benötigt, um den Benzintank eines herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotor zu füllen. Die Logistik, um mehr E-Fahrzeuge auf die Straße zu bringen und ihre Batterien aufzuladen, könnte schnell zu einem Albtraum werden. Eine breite Akzeptanz von E-Fahrzeugen könnte mit langen, zeitraubenden Warteschlangen an den Ladeanschlüssen einhergehen. Die Einrichtung von mehr Ladestationen und das Aufladen von Autos zu Hause kann dazu beitragen, diese Wartezeiten zu verkürzen, aber das Aufladen zu Hause hat seine eigenen Grenzen. Diese Art des Aufladens führt zu höheren Stromrechnungen für die Haushalte und beschränkt den Nutzer auf eine Reichweite bzw. einen Radius in der Nähe seines Wohnorts, was bedeutet, dass für längere Fahrten weiterhin ein Netz von Ladestationen erforderlich ist. Darüber hinaus ist die Verfügbarkeit von Ladestationen zu Hause für diejenigen, die in städtischen Gebieten leben und in Bereichen ohne Ladeinfrastruktur, wie z. B. auf der Straße oder in Carports, parken, nicht so einfach zu realisieren.
Anstieg der Entwicklung und Verwendung von Siliziumanoden in EV-Batterien
Um diese Hürden auf dem Weg zu einer breiten Akzeptanz abzubauen, forschen Wissenschaftler und Unternehmen verstärkt an chemiebasierten technologischen Fortschritten, die es den Batterien von Elektroautos ermöglichen, sich schneller aufzuladen, sich an größere Reichweiten anzupassen und eine längere Lebensdauer zu erreichen. Die Vergrößerung der Reichweite von Elektroauto-Batterien ist eine der einfachsten Möglichkeiten, die Abhängigkeit von verfügbaren Ladestationen zu verringern. Schnellere Ladezeiten würden auch die Ladeengpässe beseitigen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Verwendung von Anoden auf Siliziumbasis in Lithium-Ionen-Batterien, die für Elektrofahrzeuge verwendet werden. Die Hauptbestandteile von Lithium-Ionen-Batterien sind Stromkollektoren, Anoden, Kathoden, Separatoren und Elektrolyte. Traditionell wurden Anoden aus Graphit (einer bestimmten Form von Kohlenstoff) verwendet, aber Silizium wird zunehmend als der nächste logische Evolutionsschritt in der Anodenchemie von Batterien angesehen. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass Silizium eine zehnmal höhere Ladekapazität als herkömmliche Graphitanoden hat und in großen Mengen vorkommt. Es ist buchstäblich das zweithäufigste Element auf der Erde.
Es ist jedoch anzumerken, dass Silizium trotz seiner im Vergleich zu Graphit erheblich höheren Ladekapazität durch mangelnde mechanische Integrität, schlechte Zyklenstabilität und schlechte Leitfähigkeit in seiner Anwendung behindert wurde. Aus diesen Gründen ist es unwahrscheinlich, dass Siliziumanoden in absehbarer Zeit Graphitanoden ersetzen werden. Das heißt aber nicht, dass wir Silizium als Lösung völlig ausschließen müssen.
Forscher suchen aktiv nach Möglichkeiten, die Grenzen von Silizium zu überwinden und in naher Zukunft einen gangbaren Weg nach vorn zu finden. So können beispielsweise einzigartige Strukturen und aktive Anodenformulierungen verwendet werden, die Längenskalen im Nanobereich, eine geeignete Verwendung von Kohlenstoffquellen und eine Festelektrolyt-Zwischenschicht (SEI) umfassen, die der typischen Bildung und Zersetzung, die bei den derzeitigen Siliziumanodenpartikeln auftritt, besser widerstehen kann. Silizium wird bereits als Zusatzstoff in Graphitanoden verwendet, allerdings in sehr geringen Anteilen. Um wirklich die Ladungskapazität zu erreichen, die für eine bessere Reichweite erforderlich ist, müssen die Entwicklungen im Bereich Silizium im Auge behalten werden.
LFP-Kathoden sind nicht die Zukunft für EV-Batterien
im Jahr 2023 wird die Verwendung von LFP-Kathoden beim Laden von Elektrofahrzeugen wahrscheinlich zunehmen, vor allem, weil mit der erwarteten Zunahme von Elektrofahrzeugen auch die Menge ALLER Kathoden zunehmen wird. LFP-Kathoden bieten eine Reihe von Vorteilen, darunter niedrigere Kosten, eine längere Lebensdauer und eine bessere Hochtemperaturbeständigkeit. Ternäre Kathodenmaterialien wie Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) sind jedoch nicht ohne Grund die derzeitigen Hauptbestandteile von Batterien. Ihre LFP-Pendants haben eine geringere Kapazität als NCA/NMC-Batterien und eine geringere Energiedichte. Aufgrund des Gewichts und des Volumens, das erforderlich ist, um die notwendige Ladekapazität einer LFP-Batterie zu erreichen, ist sie für EV-Batterien nicht geeignet, sondern eher für Netzspeicheranwendungen, bei denen das Gewicht keine Rolle spielt. Für weniger leistungsfähige Elektrofahrzeuge, bei denen die Reichweite (verfügbare Ladekapazität) nicht so wichtig ist, gibt es noch einige auf LFP-Kathoden basierende Elektrofahrzeuge, aber die Innovation wird wahrscheinlich von NMC- und NCA-Kathoden kommen.
Trotz dieser eindeutigen Einschränkungen könnten Inflation, Treibstoffspitzen, steigende Betriebskosten und instabile geopolitische Bedingungen dazu führen, dass sich eine Vielzahl von EV-Batterieentwicklern für den Einsatz der billigeren LFP-Technologie entscheiden, allerdings nicht in einem Umfang, der die NCA/NMC-Batterien übertrifft.
Flüssigelektrolyte werden den Markt bis 2023 weiterhin dominieren
Trotz der Nachteile von Flüssigelektrolyten wie Entflammbarkeit und Explosivität wird ihre Dominanz auf dem Markt für Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit, Selbstentladungsintensität, ihres größeren Betriebstemperaturbereichs und ihrer Benetzbarkeit der Elektrodenoberflächen wahrscheinlich auch 2023 bestehen bleiben. Gegenwärtig sind die einzigen bekannten Alternativen zu flüssigen Elektrolyten Festphasenelektrolyte, die in Festkörperbatterien verwendet werden. Festkörperbatterien haben ein großes Potenzial zur Erhöhung der Ladekapazität und der Sicherheit. Sie befinden sich jedoch in der gesamten Branche noch in der Forschungsphase. Forscher schätzen, dass es 5-10 Jahre dauern wird, bis sich Festelektrolyte durchsetzen.
Fazit
Da immer mehr Akteure im Jahr 2023 in die Elektroautoindustrie einsteigen, weil der Klimawandel und die Verringerung der Treibhausgasemissionen immer stärker in den Vordergrund rücken, werden die Innovationen im Bereich der Elektroauto-Batterien wahrscheinlich folgen. Gegenwärtig sind die Ladezeiten ein klares Hindernis für die Masseneinführung von E-Fahrzeugen, und die Branche muss Lösungen entwickeln, um dieses Problem direkt anzugehen. In den nächsten Jahren ist mit neuen Technologien zu rechnen, die unsere Batterien stärken, sie leichter handhabbar machen und ihnen eine längere Lebensdauer verleihen. Siliziumanoden, mit denen sich Elektroauto-Batterien schneller aufladen, mehr Energie speichern und viel länger halten lassen, sind für eine breite Nutzung unabdingbar.