Powerplay: Können US-Batterien es mit China aufnehmen?

In den letzten zwei Jahrzehnten haben zwei Arten von Lithium-Ionen-Batterien um die Vorherrschaft im Energiespeicherbereich gekämpft: Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) und Lithium-Eisenphosphat (LFP). Ursprünglich gewann NMC aufgrund seiner überlegenen Energiedichte an Bedeutung, die Elektrofahrzeugen (EVs) zu einer größeren Reichweite für den Fahrbetrieb verhalf. In den letzten Jahren hat jedoch LFP aufgrund seiner geringeren Kosten, seines besseren Sicherheitsprofils und seiner reichlich vorhandenen Materialien an Popularität gewonnen.

Mit der Weiterentwicklung des Batteriemarktes gilt LFP heute als vielversprechendstes Prinzip für die Skalierung der EV-Produktion und die Speicherung erneuerbarer Energien. Sein Aufstieg wird sowohl durch technische Verbesserungen als auch durch Nachhaltigkeitsüberlegungen getrieben, da Hersteller versuchen, sich von ethisch und geopolitisch problematischen Materialien wie Nickel und Kobalt zu lösen.

Die Chemie verstehen: NMC und LFP

Sowohl NMC- als auch LFP-Batterien sind Varianten von Lithium-Ionen-Batterien, die auf Lithium-Ionen angewiesen sind, um Energie zwischen Anode und Kathode zu übertragen. Der Unterschied liegt jedoch in der Zusammensetzung der Kathode:

NMC-Batterien: Die Kathode besteht aus einer Kombination von Nickel (Ni), Mangan (Mn) und Kobalt (Co). Diese Materialien tragen zur hohen Energiedichte bei, wobei Nickel die Energiekapazität erhöht, Kobalt die Kathode stabilisiert und Mangan ein gewisses Maß an Sicherheit bietet. Die Anode besteht typischerweise aus Graphit. NMC-Batterien haben eine höhere Energiedichte (ca. 250-300 Wattstunden pro Kilogramm (Wg/kg)), was sie zur bevorzugten Wahl für Premium-Elektrofahrzeuge macht, bei denen hohe Reichweite im Vordergrund steht.¹ Nachteile sind die Abhängigkeit von Materialien mit problematischen Lieferketten, insbesondere Kobalt, das oft unter schwierigen und unethischen Bedingungen abgebaut wird.

LFP-Batterien: Im Gegensatz dazu verwenden LFP-Batterien eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode (LiFePO4), wobei Eisen und Phosphat die Hauptmaterialien sind. Diese Elemente sind nicht nur reichlich vorhanden, sondern auch günstiger und nachhaltiger. LFP-Batterien bieten zwar eine geringere Energiedichte (160-190 Wh/kg), zeichnen sich jedoch durch Sicherheit, Langlebigkeit und geringere Kosten aus.² Sie sind weniger anfällig für Überhitzung und halten bis zu 4.000 Ladezyklen durch, verglichen mit den typischen 1.000 bis 2.000 Zyklen von NMC.³ Für viele Anwendungen, insbesondere bei Elektrofahrzeugen und stationären Energiespeichern für den Massenmarkt, überwiegen die Vorteile von LFP die geringere Energiedichte.

Der Nachhaltigkeitsdrang: Warum der Wechsel von NMC zu LFP?

Ein überzeugender Grund für den Wechsel von NMC zu LFP ist die Nachhaltigkeit der Lieferkette. NMC-Batterien sind stark von Nickel und Kobalt abhängig, zwei Materialien, die nicht nur teuer sind, sondern oft aus Regionen mit erheblichen geopolitischen und ethischen Bedenken stammen. Über 70 Prozent des weltweiten Kobalts werden beispielsweise in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut, wo Menschenrechtsverletzungen und Umweltzerstörung weit verbreitet sind.⁴ Die Nickelversorgung ist zwar geografisch diverser, steht jedoch ebenfalls aufgrund der steigenden globalen Nachfrage vor Herausforderungen.

LFP-Batterien hingegen verwenden Eisen und Phosphat – zwei der am häufigsten vorkommenden und am leichtesten zugänglichen Elemente der Erde. Dies macht LFP-Batterien aus Beschaffungsperspektive weitaus nachhaltiger. Darüber hinaus positioniert ihr geringerer ökologischer Fußabdruck, kombiniert mit ihrem überlegenen Sicherheitsprofil, LFP als ideale Chemie für die großflächige Einführung von Elektrofahrzeugen und Speichersystemen für erneuerbare Energien.

Chinas Dominanz und die Chance der USA

Eine der größten Herausforderungen auf dem globalen Batteriemarkt ist Chinas nahezu vollumfängliche Dominanz in der LFP-Lieferkette. China kontrolliert zwischen 90 und 93 Prozent der LFP-Produktion, das Ergebnis jahrzehntelanger staatlich gelenkter Industriepolitik und massiver Investitionen in die Batterieproduktion.⁵ Diese Dominanz hat es chinesischen Unternehmen ermöglicht, die Kosten für LFP-Batterien zu senken und die Produktion in einem noch nie dagewesenen Ausmaß zu steigern, was es für andere Länder schwierig macht, wettbewerbsfähig zu sein.

Diese Abhängigkeit von der chinesischen Fertigung hat jedoch Bedenken hinsichtlich der Versorgungssicherheit aufgeworfen, insbesondere angesichts wachsender geopolitischer Spannungen. Die COVID-19-Pandemie hat die Schwachstellen dieser Abhängigkeit weiter offengelegt, da Unterbrechungen in China weltweit zu spüren waren.

Die USA stehen nun vor der einzigartigen Gelegenheit, eine inländische Lieferkette für LFP-Batterien aufzubauen. Jüngste Gesetzespakete wie der Inflation Reduction Act und das überparteiliche Infrastrukturgesetz haben Anreize für die Batterieproduktion und die Beschaffung von Rohstoffen in den USA geschaffen. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und Batterien wird das Recycling zu einem entscheidenden Thema, insbesondere in Bezug auf die Nachhaltigkeit der Batterielieferketten. Mehrere Unternehmen sind in diesem Bereich führend, sowohl aus der Perspektive des Recyclings als auch der Materialrückgewinnung.

Aktiengesellschaften:

• Republic Services: Als großes Abfallwirtschaftsunternehmen hat Republic Services seine Bemühungen im Batterierecycling im Rahmen seiner Initiativen zur Bekämpfung von Elektroschrott jüngst verstärkt. Da immer mehr Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, wird ihre Recyclingkapazität immer wichtiger für die Rückgewinnung wertvoller Materialien.
• Radius Recycling: Als Spezialist für Metallrecycling ist Radius Recycling bereits im Bereich der Elektrofahrzeugkomponenten tätig. Da die Zahl der Elektrofahrzeuge auf den Straßen zunimmt, könnte Radius eine entscheidende Rolle beim Recycling von Batterien und der Rückgewinnung wertvoller Materialien spielen.
• LKQ Corp: Mit dem Fokus auf das Recycling von Automobilteilen hat LKQ seine Fähigkeiten auf das Recycling von EV-Batterien erweitert. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen könnte ihr Know-how im Bereich des Automobilrecyclings der Schlüssel zur Bewältigung der Herausforderungen beim sicheren Recycling von EV-Batterien sein.

Private Unternehmen:

• Redwood Materials: Gegründet von einem ehemaligen Tesla-Manager, konzentriert sich Redwood Materials heute auf die Entwicklung fortschrittlicher Recyclingtechnologien für EV-Batterien. Mit Innovationen bei der Rückgewinnung von Schlüsselmaterialien wie Lithium, Nickel und Kobalt ist Redwood gut positioniert, um die Nachhaltigkeit von Batterien anzugehen. Spekulationen über einen möglichen Börsengang haben auf dem Markt für Aufregung gesorgt.
• Retriev Technologies: Ein weiterer Marktführer im Bereich Batterierecycling, entwickelt Retriev Technologies Lösungen für das effiziente Recycling und die Rückgewinnung von Materialien aus gebrauchten Batterien. Angesichts des wachsenden Fokus auf die Kreislaufwirtschaft von Batterien könnte ein Börsengang eine erhebliche Nachfrage verzeichnen.

Verbesserung der LFP-Leistung: Der Weg in die Zukunft

Während die geringere Energiedichte von LFP in der Vergangenheit als Nachteil angesehen wurde, tragen technologische Fortschritte dazu bei, die Leistungslücke zu schließen. Eine der vielversprechendsten Entwicklungen ist die Einführung von Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LMFP), einer Variante von LFP, die einen Teil des Eisens durch Mangan ersetzt. Diese Anpassung führt zu einer dualen Spannungskurve, die eine Verbesserung der Energiedichte um 10-15 Prozent gegenüber Standard-LFP ermöglicht, wodurch die Leistung näher an die von NMC herangeführt wird, während die Sicherheits- und Kostenvorteile von LFP erhalten bleiben.⁶

Darüber hinaus beschränkt sich die Batterieinnovation nicht nur auf die Kathode. Verbesserungen in der Zellarchitektur, im Pack-Design und bei der Gesamtsystemintegration verhelfen LFP-Batterien zu einer vergleichbaren Leistung auf Systemebene. Dieser ganzheitliche Ansatz für das Batteriedesign ist entscheidend, um LFP zu einer praktikablen Option für anspruchsvollere Anwendungen, einschließlich Elektrofahrzeuge mit großer Reichweite, zu machen.

Fazit: Eine Wende in der Batterietechnologie

Die Welt steuert auf die Massenverbreitung von Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien zu und dabei wird die Wahl der Batteriechemie immer wichtiger. NMC mag bei der Energiedichte immer noch die Nase vorn haben, aber die niedrigeren Kosten, das sicherere Profil und die nachhaltige Lieferkette von LFP treiben das schnelle Wachstum voran. Chinas Dominanz in der LFP-Produktion stellt eine Herausforderung dar, bietet aber auch eine Chance für Länder wie die USA, in die heimische Fertigung zu investieren und eine sicherere, diversifizierte Lieferkette aufzubauen.

Mit Innovationen im Bereich Recycling und Materialrückgewinnung, angeführt von Unternehmen wie Republic Services, Radius Recycling und LKQ Corp sowie privaten Pionieren wie Redwood Materials und Retriev Technologies, nimmt die Zukunft nachhaltiger Batterielieferketten Gestalt an.