Lithium-Eisenphosphat wird das nächste große Ding bei Elektroauto-Batterien sein

Aug 28, 2023

BMW iX wird mit dem Prototyp unserer Next Energy Lithium-Eisenphosphat-Batterie getestet

Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) treiben bereits die meisten Elektrofahrzeuge auf dem chinesischen Markt an, in Nordamerika beginnen sie jedoch gerade erst Fuß zu fassen. Sie sind nicht wirklich neu, da sie hier erfunden wurden, aber bis vor Kurzem haben Autohersteller, die hier Elektrofahrzeuge verkauften, sie gemieden, weil Autokäufer mehr Reichweite wollten, als sie vernünftigerweise liefern konnten. Das ist alles im Wandel und wir werden hier in den kommenden Jahren viel mehr LFP sehen, wobei sich die Leistungslücke dank Unternehmen wie Our Next Energy (ONE) und Mitra Chem voraussichtlich schließen wird.

Fast alle in Nordamerika verkauften Elektrofahrzeuge verwenden Lithium-Ionen-Batterien mit Kathoden, die aus einer Variation der Nickel-Kobalt-Chemie bestehen. Diese Batterien bieten die beste Kombination aus Reichweite, Leistung und Größe, allerdings mit einem hohen Preis. Nickel und Kobalt sind derzeit mehr als doppelt so teuer wie im Jahr 2021, nachdem die Preise im Zuge der russischen Invasion in der Ukraine und der gestiegenen Nachfrage nach Elektrofahrzeugen stark gestiegen sind. Nickel-Kobalt-Chemikalien sind auch etwas anfällig für thermisches Durchgehen, wenn sie physisch beschädigt sind oder Herstellungsfehler aufweisen, was in den letzten drei Jahren zu sechs verschiedenen Rückrufen geführt hat, darunter auch beim Chevrolet Bolt.

Das thermische Durchgehen wird durch das Vorhandensein von Sauerstoff in den Nickel-Kobalt-Mischungen verursacht, der freigesetzt wird, wenn die Zelle einen internen Kurzschluss erleidet und sich erwärmt. Da Brände Brennstoff, Sauerstoff und eine Zündquelle benötigen, wird das Feuer gelöscht, wenn man es dieser Quellen entzieht. Durch das Ersticken eines Feuers mit Wasser oder Schaum soll dem Feuer Sauerstoff entzogen werden, um es zu löschen. Sobald jedoch in einer Nickel-Kobalt-Batterie ein Feuer ausbricht, produziert diese ihren eigenen Sauerstoff, weshalb diese Brände so schwer zu löschen sind.

LFP-Batterien enthalten kein O2, sodass sie bei einem Kurzschluss zwar einige Gase freisetzen können, aber nicht wie Nickelbatterien brennen. Das macht sie wesentlich sicherer und langlebiger, allerdings auf Kosten einer geringeren Energiedichte. Typischerweise weist eine LFP-Batterie mit einer ähnlichen Architektur wie eine Nickelbatterie eine etwa 30–40 % geringere Energiedichte auf, kann jedoch Tausende von Ladezyklen durchhalten und dem Missbrauch durch schnelleres Laden standhalten.

Unsere nächste Energie

ONE mit Sitz in Novi, Michigan, wurde 2020 von Mujeeb Ijaz, einem ehemaligen Manager bei Ford, A123 Systems und Apple, gegründet. Das Ziel von ONE bestand darin, sicherere, billigere und nachhaltigere Batterien herzustellen, und das Unternehmen behauptet, mit seinem neuesten Aries II-Batteriepaket erhebliche Fortschritte gemacht zu haben. Der ursprüngliche Aries I befindet sich bereits in Kleinserienproduktion und wird vom kalifornischen Unternehmen Motiv Power Systems für seine elektrischen Nutzfahrzeuge sowie in stationären Speicheranwendungen eingesetzt.

Der Aries II ist eine verbesserte Version und Ijaz gibt an, dass er jetzt nur noch 6 % der Energiedichte der führenden Nickel-Mangan-Kobalt-Batteriepakete für Elektrofahrzeuge erreicht und dabei 25 % niedrigere Kosten aufweist, da kein Nickel oder Kobalt erforderlich ist. ONE hat dies teilweise durch die Verwendung einer Cell-to-Pack-Architektur (C2P) erreicht, die es ermöglicht, deutlich mehr Zellen im selben Packgehäuse zu installieren.

Typische Modulpakete haben eine Box-in-Box-Anordnung, bei der die Zellen in einem Modulgehäuse installiert werden, das dann in das größere Paket eingebaut wird. Diese Gehäuse beanspruchen Platz im Paket und erfordern mehr Anschlüsse und Verkabelung, was die Kosten erhöht. In einem typischen Modulpaket bestehen nur etwa 30–35 % des Volumens tatsächlich aus aktivem Zellmaterial, das Energie speichert. Beim Aries II werden alle Zellen direkt in das Gehäuse eingesetzt und mit Kühlkörpern und der Kühlplatte miteinander verbunden, wodurch mehr Platz eingenommen wird. Der Füllgrad an aktivem Zellmaterial liegt bei über 70 %.

Es wird erwartet, dass das Aries II-Paket künftigen Elektrofahrzeugen eine Reichweite von bis zu 350 Meilen mit einer Ladung ermöglichen wird. Aber ONE hat bereits die Fähigkeit bewiesen, ein Tesla Model S mit seinem Original-Prototyp der Gemini-Batterie über 750 Meilen weit fahren zu lassen. Der Gemini verwendet zwei Chemikalien: LFP und eine anodenfreie Manganzelle. Da die meisten Menschen täglich nur einen Teil der Reichweite nutzen und nur gelegentlich die maximale Reichweite benötigen, ist der Gemini als Range Extender konzipiert.

LFP-Zellen sind mit Zellen verschachtelt, die ein Lithium-Metall-Design auf Manganbasis verwenden. Diese Zellen haben eine viel höhere Energiedichte als LFP, haben aber eine geringere Leistung und Zyklenlebensdauer. Während LFP-Zellen mehr als 2.000 Mal aufgeladen werden können, halten diese anodenfreien Zellen nur ein paar hundert Zyklen durch. Wenn die LFP-Zellen fast erschöpft sind, können sie durch anodenfreie Zellen wieder aufgeladen werden, um die Reichweite zu erhöhen. Da diese Zellen keine Graphitbeschichtung auf dem Kupferfolien-Stromkollektor verwenden, entfällt die Hälfte der Herstellungskosten und der zugehörigen Ausrüstung, was die Gesamtkosten erheblich senkt. Ijaz schätzt, dass diese Zellen bis zu 50 $/kWh kosten können und die Gesamtkosten 75 $/kWh betragen können. Das Gemini-Paket ist auf Anwendungen mit einer Reichweite von 600 Meilen ausgerichtet.

ONE baut derzeit seine erste Fabrik in Van Buren, Michigan, wobei die erste Phase bis Ende 2023 mit der Produktion beginnen soll. Die erste Phase ist ein Pilotproduktionsbereich, der bis zu 10 MWh Zellen pro Jahr produzieren kann Validierung, frühe Produktionsanwendungen, Schulung der Belegschaft und Entwicklung der Lieferkette. Phase II soll bis Ende 2024 mit einer Kapazität von 2,7 GWh abgeschlossen sein und Phase III im darauffolgenden Jahr mit einer vollen Kapazität von 20 GWh.

ONE konzentriert sich zunächst auf die Bedienung der Nutzfahrzeug- und Netzspeichermärkte, um seine Produkte und Prozesse mit Fahrzeugprogrammen mit größerem Volumen für den Zeitraum 2026–27 zu testen. Es besteht bereits eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung mit BMW und hat einen iX zu Testzwecken mit einer Aries II-Batterie ausgestattet.

Mitra Chem

Ford hat sich bereits dazu verpflichtet, ab diesem Jahr LFP-Zellen in einigen seiner Fahrzeuge einzusetzen, mit dem Standardmodell Mustang Mach-E, gefolgt vom F-150 Lightning im Jahr 2024. Außerdem hat das Unternehmen mit dem Bau einer 40-GWh-LFP-Zellenfabrik in Marshall, Michigan, begonnen . GM war bisher jedoch etwas ruhiger zu seinen LFP-Plänen. GM hat 60 Millionen US-Dollar in Mitra Chem investiert, ein Startup mit Sitz in Mountain View, Kalifornien, um die Entwicklung von LFP-Chemikalien der nächsten Generation zu unterstützen.

Mitra Chem plant nicht die Produktion von Zellen oder Batterien, sondern konzentriert sich stattdessen auf die Entwicklung neuer Materialkombinationen, darunter Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LMFP). Ein wichtiger Teil der Arbeit von Mitra Chem besteht darin, maschinelle Lernsysteme zu nutzen, um Tausende potenzieller Chemikalien zu simulieren und zu testen, um die vielversprechendsten Lösungen zu finden.

Ziel ist es, den Design- und Entwicklungsprozess zu beschleunigen, um die Konkurrenz zu überholen und leistungsstärkere Zellen mit besserer Haltbarkeit zu geringeren Kosten zu finden. Die Forschungs- und Entwicklungseinrichtung von Mitra Chem kann Kathodenmaterialmengen von Gramm bis Kilogramm simulieren und dann zu Testzwecken produzieren. Sobald praktikable Kombinationen identifiziert sind, werden sie mit GM an der Skalierung auf höhere Stückzahlen für mögliche Fahrzeugtests arbeiten.

Die Kosten sind ein entscheidender Faktor bei der Fokussierung auf eisenbasierte Chemikalien, denn die Realität ist, dass die meisten der heute verfügbaren Elektrofahrzeuge immer noch zu teuer sind, als dass sich die meisten Menschen sie leisten könnten. Auch die Langlebigkeit und Sicherheit sind wichtige Anliegen.

Der Zusatz von Mangan zur LFP-Mischung zielt darauf ab, die Kaltwetterleistung von eisenbasierten Zellen zu verbessern. Mangan ist wie Eisen und Phosphor kostengünstig, stabil und in den meisten Teilen der Welt leicht verfügbar.

Gil Golan, GM-Vizepräsident für Technologiebeschleunigung und Kommerzialisierung, würde keinen konkreten Zeitrahmen dafür nennen, wann mit eisenbasierten Zellen in GM-Elektrofahrzeugen zu rechnen sei, außer in der Mitte bis zur zweiten Hälfte des Jahrzehnts.

Während China die Initiative zur Kommerzialisierung von LFP-Batterien ergriffen hat, ist es wahrscheinlich, dass in den späteren Jahren dieses Jahrzehnts die meisten Automobilhersteller in Nordamerika Fahrzeuge mit eisenbasierten Batterien als mindestens einer der Optionen sowie mit C2P-Architekturen und raffinierten Chemikalien anbieten werden. Sie sollten den heutigen Nickelbatterien eine überlegene Leistung zu geringeren Kosten bieten.