Sicherung der Batterie-Lieferkette

Die sonnige Zukunft, die Elektrofahrzeuge (EVs) versprechen, hat eine dunkle Wolke am Himmel. Es sind die wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), die das Herzstück der Elektrofahrzeugtechnologie bilden. Und übrigens stehen sie auch im Mittelpunkt der meisten anderen elektronischen Geräte, die das moderne Leben antreiben. 

Ein Hauptproblem bei Li-Ionen-Batterien ergibt sich aus zwei der Elemente, die zur Herstellung ihrer Kathoden (dem Pluspol einer Batterie) verwendet werden – Kobalt und Nickel. Die Beschaffung dieser Elemente hängt von fragilen und ethisch problematischen Lieferketten ab.

Verringerung der Auswirkungen durch Recycling von Li-Ionen-Batterien

Eine Strategie zur Minimierung der mit Li-Ionen-Batterien verbundenen Lieferketten-, Kosten- und Umweltprobleme ist die effiziente Rückgewinnung und das Recycling von Nickel, Kobalt und anderen Chemikalien aus Altbatterien. Insbesondere reduziert das Recycling den Druck auf den Abbau von Rohstoffen. 

Unser optimierter hydrometallurgischer fortschrittlicher Recyclingprozess (SHARP)-Technologie bietet eine umweltfreundliche und kostengünstige Möglichkeit zur Rückgewinnung kritischer Metalle aus gebrauchten Li-Ionen-Batterien.

Die effiziente Rückgewinnung und das Recycling von Nickel und Kobalt aus ausgedienten Li-Ionen-Batterien ist eine Möglichkeit, den Bedarf an abgebauten Rohstoffen zu verringern. 

Unsere Alternative: Li-S-Batteriechemie 

Ein anderer Ansatz besteht darin, Alternativen zur Lithium-Ionen-Chemie zu entwickeln, die reichlich vorhandene und leichter zu beschaffende Materialien verwenden, um eine höhere Batterieleistung zu niedrigeren Kosten zu erzielen. Viele führende Unternehmen in der Batterieforschung arbeiten aktiv an diesem Thema. Eine Änderung der Chemie hat das Potenzial, die Lieferkette stabiler zu machen und Elektrofahrzeuge letztendlich erschwinglicher und attraktiver für die Verbraucher zu machen.

Die Lithium-Schwefel-Batteriechemie (Li-S) hat sich als ein gangbarer Zukunftspfad herausgestellt. Diese Technologie verwendet Schwefel als aktives Kathodenmaterial (CAM) anstelle der verschiedenen Kobalt-, Nickel- und anderen Metalloxide, die in Li-Ionen-Batterien verwendet werden.  

Schwefel ist als CAM aus mehreren Gründen wünschenswert. Erstens ist es leicht erhältlich (es ist das fünfthäufigste Element auf der Erde) und daher von Natur aus weniger kostspielig als Kobalt oder Nickel. Es wird auch in geopolitisch weniger problematischen Ländern, die sich bereits zu Zentren der Batterieproduktion entwickelt haben, in großem Umfang abgebaut und als Nebenprodukt hergestellt. Dies senkt die Transportkosten. Zusammen könnten diese den Preis pro Kilowattstunde für eine Batterie erheblich senken.

Darüber hinaus kann ein Li-S-Akku auch mehr Energie speichern als ein Li-Ionen-Akku. Man schätzt, dass ein Li-S-Akku doppelt so viel Energie speichern kann wie ein Li-Ionen-Akku mit demselben Gewicht. Das könnte bedeuten, dass Elektrofahrzeuge entweder eine erheblich größere Reichweite oder ein viel geringeres Gewicht haben.

Li-S bietet also Leistungs- und Kostenvorteile gegenüber Li-Ion und hat eine von Natur aus sicherere Lieferkette. Es gibt nur einen Grund, warum Li-S-Batterien nicht bereits in großem Umfang in Elektroautos eingesetzt werden. Sie funktionieren nicht.

Der Durchbruch von Selen zu Schwefel

Das technische Problem bei Li-S-Batterien ergibt sich aus den chemischen Reaktionen, die in ihrem Inneren ablaufen. Insbesondere geht Schwefel während der Lade- und Entladezyklen von einem festen in einen flüssigen Zustand über und dann wieder in einen festen. Ein Teil des Schwefels verbleibt im Elektrolyten und führt zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust. Dadurch wird die Ladekapazität mit jedem Zyklus drastisch reduziert.

Die Lösung dieses Problems steht seit vielen Jahren im Fokus der Li-S-Batterie-Forscher. Coherent arbeitet seit einem Jahrzehnt intern daran. 

Unsere anfängliche Arbeit konzentrierte sich auf die Li-Se (Selen)-Chemie. Selen und Schwefel sind beide Elemente der Gruppe VI des Periodensystems. Und Coherent verfügt über umfangreiches Fachwissen im Umgang mit Materialien der Gruppe VI. Deshalb hieß das Unternehmen ursprünglich II-VI!

Im Jahr 2020 hat unser Team seinen Fokus von Selen auf Schwefel verlagert. Und jetzt haben wir bedeutende Durchbrüche erzielt, die das Problem lösen. Dadurch können wir Li-S-Batterien (oder genauer gesagt „Schwefelkathoden“) herstellen, die eine Ladung an oder nahe der theoretischen Grenze des Materials halten können. Und unsere Kathode ist „zyklusfähig“.

Die von Coherent entwickelte bahnbrechende Li-S-Batterietechnologie ist der Höhepunkt eines Jahrzehnts der Forschung innerhalb des Unternehmens.

Natürlich arbeiten auch andere Gruppen an Li-S-Batterien. Einige von ihnen haben auch ähnliche Leistungsmerkmale wie wir erreicht. 

Allerdings bietet unsere Technologie einen großen Unterschied und entscheidenden Vorteil gegenüber diesen anderen. Unsere Innovationen werden bei Schüttgütern auf der Ebene von Kathoden-Kompositen und Schlämmen eingesetzt. Das bedeutet, dass Batteriehersteller unsere Materialien mit ihren bestehenden Kathodenproduktionsprozessen verwenden können, ohne die Werkzeuge ändern zu müssen.

Angesichts der enormen Investitionen in Batteriefertigungskapazitäten rund um die Li-Ionen-Chemie halten wir es für unerlässlich, den Herstellern einen reibungslosen Übergang zu Li-S zu bieten. Die Li-S-Technologie von Coherent verlängert die Lebensdauer der heute getätigten Investitionen.  

Alle fahren in Richtung Li-S

Das Potenzial von Li-S und die jüngsten Fortschritte in der Technologie (von Coherent und anderen) sind für niemanden in der Batterie- oder Elektrofahrzeugindustrie eine Neuigkeit. Es ist in diesen Kreisen weithin anerkannt, dass Li-S die Li-Ion-Technologie letztendlich verdrängen wird. Auch das US-Energieministerium vertritt diese Ansicht. Sie entwickeln die Li-S-Technologie in den nationalen Laboratorien und finanzieren die kommerzielle Forschung.

Mit unserer unübertroffenen Erfahrung mit Materialien der Gruppe VI und den bisherigen positiven Ergebnissen ist Coherent gut aufgestellt, um eine führende Rolle bei der Einführung der Li-S-Technologie zu übernehmen. Wir kommerzialisieren diese Technologie heute mit den Materialien und Prozessen, die notwendig sind, um einen Startpunkt für Hersteller zu schaffen. Dazu könnten die Herstellung von CAMs, die Produktion von fertigen Kathoden-Komponenten und die Lizenzierung unserer Technologie gehören.

Unabhängig davon, wie wir uns am Li-S-Batteriemarkt beteiligen, hat Coherent bereits wichtige Innovationen geliefert, die Schwefel auf eine Weise kreislauffähig machen, die minimale Kosten- und Masseneinbußen mit sich bringt. Diese werden dazu beitragen, dass die Batterieindustrie zu Materialien mit einer viel größeren Sicherheit in der Lieferkette übergeht. Und das wird die Hürde für die mobile Elektrifizierung senken und den Weg für die Zukunft der Elektrofahrzeugen ebnen.

Erfahren Sie mehr über die Li-S-Technologie von Coherent.

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