Für US-Unternehmen ist das Rennen um die neue Batterie für Elektrofahrzeuge eröffnet

Apr 29, 2024

Ein elektrischer Pickup vom Typ Rivian R1T im Werk des Unternehmens in Normal, Illinois. Jamie Kelter Davis / Bloomberg über Getty Images

Angeregt durch bundesstaatliche Vorgaben und Anreize treiben US-Hersteller die Entwicklung neuer Batterietechnologien für Elektrofahrzeuge voran. Der heilige Gral ist eine Batterie, die sicherer ist, weniger kostet, eine größere Reichweite bietet und keine importierten „Konflikt“-Mineralien verwendet.

Von Judith Lewis Mernit • 20. Dezember 2022

Sechzehn Jahre sind vergangen, seit Ingenieur Martin Eberhard seinen futuristischen, maßgeschneiderten Sportwagen vor einer Schar von Investoren, Journalisten und potenziellen Käufern in einem Hangar am Flughafen Santa Monica enthüllte. Der Roadster, wie er genannt wurde, enthielt eine Menge innovativer Technik, aber nichts war an ihm wichtiger als die 6.831 Lithium-Ionen-Batteriezellen, die in seinem hinteren Fach untergebracht waren und dem Fahrzeug seine Reichweite und Geschwindigkeit verliehen. „Das Batteriesystem ist das Geheimnis“, erklärte Eberhard damals, „hinter unserer Beschleunigung von 0 auf 60 Meilen pro Stunde in vier Sekunden.“

Eberhard und sein Mitarbeiter Marc Tarpenning benannten ihr neues Elektrofahrzeugunternehmen nach Nikola Tesla, und zwei Jahre später, im Jahr 2008, kam der Tesla als erstes kommerziell hergestelltes Fahrzeug mit Lithium-Ionen-Antrieb auf den Automobilmarkt. Lithium-Ionen oder Li-Ionen waren ein großer Fortschritt gegenüber den Nickel-Metallhydrid-Batterien (Ni-MH), die die meisten Hybrid- und Elektrofahrzeuge, einschließlich des äußerst beliebten Prius, angetrieben hatten. Aufgrund der besseren Energiedichte von Lithium kann ein Li-Ionen-Akku ein Drittel mehr Wattstunden pro Kilogramm speichern als Ni-MH-Akkus, was bedeutet, dass er länger hält und weniger wiegt.

Aber die Lithiumbatterie hat immer noch gravierende Nachteile. Es basiert auf importierten kritischen Mineralien – nicht nur Lithium, sondern auch Kobalt, Kupfer, Graphit und Nickel – die durch Hacken in Bergen oder durch das Pumpen von knappem Wüstengrundwasser in Teiche gewonnen werden und dann darauf gewartet werden, dass das Wasser verdunstet und das Mineral zurückbleibt. Die Demokratische Republik Kongo produziert mehr als 70 Prozent des weltweiten Kobalts, häufig durch Ausbeutung von Kinderarbeit unter unsicheren Arbeitsbedingungen. Andere Mineralien stammen aus Ländern, mit denen die Vereinigten Staaten ihre Wirtschaftsbeziehungen am liebsten lockern würden, darunter Russland, das 20 Prozent der weltweit schwindenden Nickelvorräte bereitstellt, und China, das praktisch den gesamten Graphit liefert, der international in Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet wird.

„Wir haben nicht unbedingt die Möglichkeit, an Mineralien zu kommen, es sei denn, wir gehen an Orte, die als nicht akzeptabel gelten“, sagt Ben Prochazka, Geschäftsführer der Electrification Coalition, einer gemeinnützigen Organisation, die sich für die Abkehr von fossilen Brennstoffen im Transportwesen einsetzt. Bald werden wir möglicherweise überhaupt nicht mehr in der Lage sein, an bestimmte Mineralien zu kommen: China hat beispielsweise damit gedroht, seinen Graphit für seine eigene gewaltige Batterieindustrie zu behalten; Marktanalysten gehen davon aus, dass die weltweite Nachfrage nach Lithium bis 2030 das Angebot übersteigen wird. „Wir müssen einen anderen Weg finden, Batterien herzustellen“, sagt Prochazka.

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Da staatliche und bundesstaatliche Vorschriften und Anreize Automobilunternehmen dazu drängen, batteriebetriebenen Fahrzeugen in ihren Flotten Vorrang einzuräumen, und volatile Benzinpreise immer mehr Verbraucher zu emissionsfreien Transportmitteln bewegen, beeilen sich Autohersteller und Batterieunternehmen, genau das zu tun. Sie arbeiten daran, verschiedene Methoden zur Herstellung von Batterien zu entwickeln und gleichzeitig die Kosten zu senken, die Energiedichte zu erhöhen – was sich in einer überaus wichtigen größeren Reichweite niederschlägt – und die Industrie von dem zu entwöhnen, was die US-Regierung als „ausländische Unternehmen, die Anlass zur Sorge geben“ nennt.

Batterien, die sogenannte Konfliktmineralien durch heimische Mineralien ersetzen, sind über die Forschung und Entwicklung hinaus in ihre Testphase vorgedrungen; eine Batterie, die Kobalt zugunsten von Nickel, Mangan und Aluminium reduziert, befindet sich bereits in der kommerziellen Produktion; Mehrere Unternehmen arbeiten an Festkörperbatterien, die keine potenziell brennbaren Flüssigkeiten verwenden, und es gibt zahlreiche Pläne für Gigafabriken zur Batterieherstellung in den USA.

Es wird erwartet, dass die Verabschiedung zweier neuer Bundesgesetze, des Inflation Reduction Act (IRA) von 2022 und des Infrastructure Investment and Jobs Act von 2021, die Branche voranbringen wird. Die USA bieten den Käufern der meisten neuen Elektrofahrzeuge seit Ende 2009 eine Steuergutschrift in Höhe von 7.500 US-Dollar an; Aber ab 2023 knüpft die IRA diese Steuergutschrift an bestimmte Anforderungen für die Beschaffung kritischer Mineralien und die Herstellung von Batterien. Bis 2029 haben nur Elektrofahrzeuge Anspruch auf die volle Gutschrift, deren Mineralien zu 80 Prozent aus den USA oder ihren verbündeten Ländern stammen und deren Komponenten zu 100 Prozent in Nordamerika hergestellt oder zusammengebaut werden.

Zusammengenommen werden die Gesetzesentwürfe die Batterieindustrie für Elektrofahrzeuge verändern und Innovationen vorantreiben, ähnlich wie es der American Recovery and Reinvestment Act in den 2010er Jahren tat, als Tesla sich ein Bundesdarlehen in Höhe von 465 Millionen US-Dollar sicherte, um die Entwicklung seiner Modern S-Limousine abzuschließen und sein Werk zu eröffnen in Fremont, Kalifornien. Wenn Kobalt und Nickel schwer zu bekommen seien, sagt Prochazka, „dann sollten wir Batterien herstellen, die weniger oder gar kein Kobalt verbrauchen.“ Oder lasst uns Batterien herstellen, die weniger Nickel verbrauchen.“ China veredelt fast alle von Batterieherstellern verwendeten Mineralien, fügt Prochazka hinzu, „also haben wir jetzt Verarbeitungsanlagen in den USA.“ Letzten Monat kündigte das in Nevada ansässige Unternehmen Panasonic Energy an, dass es im Jahr 2025 mit der Herstellung von Elektrofahrzeugbatterien aus recyceltem Nickel beginnen werde dieser Staat.

Michael Maten, GMs leitender Stratege für Elektrofahrzeuge und Energiepolitik, sagt, dass die Veränderung kommen würde, ob der Kongress handelte oder nicht. Als sich GM-Chefin Mary Barra im Jahr 2021 verpflichtete, bis 2035 auf 100 Prozent elektrisch umzusteigen, sagte Maten: „Das erste, was wir sagten, war: ‚Oh Mann, wir werden eine Menge Batterien brauchen.“ Schauen Sie sich die Lieferkette genau an und unternehmen Sie „konzertierte Anstrengungen, um diese Lieferkette an Land oder in die Nähe zu bringen, um sicherzustellen, dass sie nachhaltig ist.“ Mittlerweile, sagt er, „schalten wir nahezu jeden Monat einen weiteren Partner ein, um“ kritische Mineralien zu sichern.

Scheitern sei keine Option, sagt Maten. „Wir verwandeln ein 100 Jahre altes Unternehmen, das auf dem Verbrennungsmotor basiert, in ein reines Elektrofahrzeugunternehmen. Wir wollen sicherstellen, dass es uns noch 100 Jahre gibt.“

In einem Videoanruf hält George Liddle, Leiter der Analytik bei Lyten, einem in San Jose ansässigen Unternehmen, das sich auf die Herstellung von Verbundwerkstoffen für Batterien spezialisiert hat, ein Stück Papier mit der Kante nach außen hoch. „Das ist zweidimensionales Graphen“, sagt er, das strukturell einem flach gelegten Fußballnetz ähnelt, „nur in Nanoform.“ Anschließend knüllt Liddle das Papier zu einer Kugel zusammen. „Wenn man das macht, erhält man 3D-Graphen, das 1.000-mal reaktiver ist, elektrisch und chemisch“ als die flache Version.

Lyten begann als kommerzielles Unterfangen, um überschüssiges Methan aus Ölfeldern zu sammeln, es in inerten Kohlenstoff umzuwandeln und tief unter der Erde zu binden. „Es stellte sich heraus, dass die wirtschaftlichen Gesichtspunkte dafür überhaupt nicht funktionierten“, erzählt mir Liddle. Das Unternehmen wandte sich den Batterien zu, als einer seiner Forscher entdeckte, dass aus diesem Kohlenstoff gewonnenes Graphen als Puffer zwischen Lithium und Schwefel in einer neuen Art von Batterie verwendet werden könnte.

Ein Arbeiter überprüft die Anschlüsse an einem Batteriepanel eines Elektrofahrzeugs im Hauptsitz von Lucid Motors in Newark, Kalifornien. David Paul Morris / Bloomberg über Getty Images

„Schwefel hat etwa das vierfache Energiespeicherpotenzial von Nickel, Mangan oder Kobalt“, sagt Liddle, „und es ist buchstäblich spottbillig – es ist ein Nebenprodukt petrochemischer Prozesse.“ Ölbohrer verschenken es tonnenweise. Dass noch nie jemand eine Lithium-Schwefel-Batterie für eine kommerzielle Anwendung hergestellt hat (obwohl einige es versucht haben), zeigt, wie schwierig dies ist. Während sich die Zellen in der Batterie laden und dann entladen, verbindet sich Lithium mit Schwefel und wird als Lithiumionen freigesetzt. Bei jedem Zyklus durchläuft die Verbindung eine Reihe komplexer chemischer Umwandlungen, bis weder Lithium noch Schwefel in verwertbarer Form verbleiben. „Die Batterie macht etwa 100 Zyklen und ist dann leer“, erklärt Liddle, „weil sie sich im Grunde selbst vergiftet hat.“

Jetzt stellt Liddle nach, wie er eine Substanz – Schwefel – in die Zwischenräume des zusammengeknüllten Papiers einfügt, als Ersatz für Graphen. „Es stellt sich heraus, dass, wenn man den Schwefel nimmt und ihn tief in die Nanospalten von Graphen einbettet, die Umwandlung von Lithium-Schwefel in Lithium und Schwefel erzwungen wird“, sagt er. Graphen spaltet die beiden Chemikalien auf, sodass Schwefelatome und Lithiumionen die Batterie nicht zerstören.

Eine Batteriezelle kann man sich als Sandwich vorstellen: Eine positiv geladene Kathode und eine negativ geladene Anode um einen Elektrolyten, der Ionen von einer Seite zur anderen leitet. Der Elektrolyt ist fast immer ein viskoses organisches Lösungsmittel. Die Zellen in der Batterie von Lyten verfügen über alle diese Komponenten, sind jedoch etwas anders aufgebaut. „Man kann sich unsere Batteriezelle als einen französischen Dip vorstellen“, sagt Liddle. „Der Elektrolyt durchdringt das Ganze.“

Im Gegensatz dazu verwenden Festkörperbatterien überhaupt keinen Elektrolyten und ersetzen ihn durch ein Polymer oder eine Keramik, die dieselbe Funktion erfüllt, jedoch nicht das Entflammbarkeitsrisiko organischer Lösungsmittel aufweist. Benzinbetriebene Autos geraten leichter und häufiger in Brand als Elektrofahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterien. Li-Ionen-Batterien sind jedoch besonders anfällig für ein Phänomen, das als „thermisches Durchgehen“ bekannt ist und bei dem die brennende Zelle die Wärme nicht schneller abgeben kann, als sie erzeugt. Wie Feuerwehrleute in Florida erfuhren, nachdem in Salzwasser getränkte Teslas nach der Sturmflut von Hurrikan Ian Feuer fingen, wird eine enorme Menge Wasser benötigt, um ein chemisches Feuer zu löschen – bis zu 40-mal so viel, wie man braucht, um den Brand eines Benzinautos zu löschen.

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Eine Handvoll Autohersteller, darunter Ford und Mercedes-Benz, haben Partnerschaften mit Batterieherstellern, um die Festkörpertechnologie zu erforschen. Factorial Energy, das im Begriff ist, eine neue Fabrik in Methuen, Massachusetts, zu eröffnen, geht davon aus, irgendwann zwischen 2028 und 2030 Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge auf den Markt zu bringen.

Die meisten Batterien verwenden aus gutem Grund flüssige Elektrolyte, erklärt Ahmad Pesaran, Chefingenieur für Energiespeicherung bei den National Renewable Energy Laboratories. In jeden leeren Raum kann eine Flüssigkeit strömen, um den Kontakt zwischen Anode und Kathode aufrechtzuerhalten. Damit ein Festelektrolyt funktioniert, „muss man aber wirklich gute Oberflächen haben, die miteinander verschmelzen können“, sagt Pesaran. Die Materialien müssen außerdem dem Druck standhalten, ohne zu reißen – eine große Herausforderung für die spröde Keramik, die in einigen Festkörperanwendungen verwendet wird.

Eine Festkörperbatterie von Factorial Energy, die voraussichtlich 2023 eine Fabrik in Massachusetts eröffnen wird. Factorial

Tatsächlich ist es für Batterieforscher laut einigen Experten wahrscheinlicher, dass es ihnen gelingt, Siliziumanoden zu kommerzialisieren, als eine Festkörpertechnologie zu perfektionieren. Silizium hat möglicherweise die doppelte Energiedichte wie Graphit, das typischerweise in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, und ist viel häufiger verfügbar. (Der Ausgangsstoff für Silizium ist Sand.) Eine Siliziumanodenbatterie könnte bereits in wenigen Jahren verfügbar sein. Die größte Herausforderung war die Tendenz von Silizium, sich beim Laden und Entladen auszudehnen. „Das Volumen ändert sich um fast 300 Prozent, wenn man es mit maximaler Kapazität auslastet“, sagt Brian Cunningham, Technologieentwicklungsmanager beim US-Energieministerium, „und das führt zu einer starken mechanischen Belastung der gesamten Struktur.“ Es ist unwahrscheinlich, dass die Batterie die erforderlichen Lade- und Entladezyklen eines Nutzfahrzeugs übersteht. „Wir entwickeln Lösungen, um diesen Stress und diese Belastung zu reduzieren“, sagt er.

Eine bessere Idee, als über Spitzentechnologien zu diskutieren, ist laut Maten von GM einfach zu prüfen, welche Materialien die meiste Energie zu den geringsten Kosten speichern und erhältlich sind, ohne indonesische Küstendörfer für Nickel abzureißen oder sich auf autoritäre Regime zu verlassen. Die Preise für Lithium-Ionen-Batterien schwanken, derzeit kosten sie jedoch etwa 150 US-Dollar pro Kilowattstunde. Um Kostenparität mit benzinbetriebenen Motoren zu erreichen, muss dieser Preis auf mindestens 100 US-Dollar pro Kilowattstunde gesenkt werden, obwohl einige Autohersteller 60 US-Dollar pro Kilowattstunde ins Auge fassen. Es gibt viele Möglichkeiten dorthin zu gelangen, aber niemand weiß, wann es soweit sein wird. „All dies findet immer noch in einer Laborumgebung statt“, sagt Maten.

In der realen Welt werden die Menschen, die Fahrzeuge kaufen, die ultimativen Entscheidungsträger für eine erfolgreiche Batterietechnologie sein, sagt Cunningham vom Energieministerium. Was zählt, ist die Entwicklung einer Batterie, die die Erwartungen der Autofahrer hinsichtlich Reichweite und Beschleunigung zu einem Preis übertrifft, der die Debatte zwischen Elektro- und Benzinantrieb hinfällig macht. „Irgendwann werden wir diesen Grenzpunkt erreichen, an dem batterieelektrische Fahrzeuge günstiger sind als herkömmliche“, sagt er. Es ist ihm egal, wie wir dorthin gelangen – Festkörper-, Silizium- oder ein anderes innovatives Batteriedesign. Er stellt fest, dass das US-Energieministerium „Chemie-Agnostiker“ sei.

Im Oktober kündigte das DOE Zuschüsse in Höhe von 2,8 Milliarden US-Dollar für 20 verschiedene Unternehmen an, die daran arbeiten, die Produktion und Verarbeitung kritischer Mineralien in den USA zu stärken. Eine weitere Finanzierungsrunde für bestimmte Vorhaben wird im Januar bekannt gegeben. Jigar Shah, Direktor des Büros für Kreditprogramme beim DOE, sagte in einem Video, das sich an Forscher und Hersteller richtete, dass die IRA die Kreditbefugnis der Agentur um 40 Milliarden US-Dollar erhöht habe, um das Advanced Vehicle Manufacturing Program zu unterstützen. „Das Ziel des Programms besteht eigentlich darin, die Lieferkette für den Automobilsektor zu verankern und neu zu verankern, während wir hier in diesem Land dekarbonisieren“, sagte er. Am 12. Dezember vergab das DOE ein Darlehen in Höhe von 2,5 Milliarden US-Dollar an Ultium Cells, ein Joint Venture zwischen GM und LG Energy Solution, das in drei US-Anlagen kobaltarme Batterien produzieren wird.

Ein Arbeiter klettert durch eine Kupfer- und Kobaltmine in Kawama, Demokratische Republik Kongo. Michael Robinson Chavez / The Washington Post über Getty Images

Es ist wichtig anzumerken, dass allein der Aufbau einer Lieferkette für Elektrofahrzeuge innerhalb der USA und ihrer verbündeten Nationen sie nicht nachhaltig macht, zumindest nicht im ökologischen und gesundheitlichen Sinne. Chile ist technisch gesehen ein US-freundliches Land, doch der Lithiumabbau in der Atacama-Wüste gefährdet das Grundwasser und entwässert Lagunen, von denen lokale Gemeinschaften und Wildtiere abhängig sind. 97 Prozent aller Nickelreserven in den USA befinden sich im Umkreis von 35 Meilen um die indianischen Gemeinden, ebenso wie 89 Prozent der Kupferreserven.

Sogar im südkalifornischen Imperial Valley, wo die Lithiumgewinnung – aus der Sole, die bereits in elf Geothermiekraftwerke gepumpt wird – als potenzieller wirtschaftlicher Segen für eine in Schwierigkeiten geratene Agrargemeinde angepriesen wird, machen sich Befürworter der Umweltgerechtigkeit Sorgen über mögliche negative Auswirkungen. Mit einer Bevölkerung von 179.000 Einwohnern besteht das Imperial Valley zu mehr als 85 Prozent aus Latinos und leidet seit langem unter den gesundheitlichen Auswirkungen der Pestiziddrift von landwirtschaftlichen Feldern und der Schwebeteilchen aus der sterbenden Saltonsee. Die Auswirkungen des Lithiumabbaus auf die öffentliche Gesundheit müssen noch untersucht werden.

Die California Energy Commission schätzt, dass „Lithium Valley“, wie sie das Imperial Valley-Projekt nennt, bis zu 40 Prozent des weltweiten Lithiumbedarfs decken könnte und hat bereits 16,5 Millionen US-Dollar in die Erschließung der Ressource investiert. Das bedeutet, dass die Lithiumproduktion wahrscheinlich auf jeden Fall weitergehen wird. Lithium ist, wie Elon Musk gerne sagt, tatsächlich das neue Öl.

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Was auch immer die Nachteile sein mögen, die Beschaffung von Lithium – egal wo es gefunden wird – wird sich wahrscheinlich nicht verlangsamen. Unsere Abhängigkeit von Gas- und Dieselmotoren schadet nicht nur dem Klima und unserer Lunge, sagt Prochazka von der Electrification Coalition, sondern stellt auch ein großes Risiko für die nationale Sicherheit dar. „Wir exportieren weiterhin jährlich Milliarden von Dollar in Länder, die nicht unsere Ideale teilen“, stellt er fest. Die Batterietechnologie ist vielleicht nicht in jeder Hinsicht harmlos, aber „wir haben eine viel größere Kontrolle darüber, wie wir Elektronen erzeugen“ als darüber, woher wir unser Öl beziehen. „Die Zukunft des Transportwesens“, sagt er, „liegt in der Elektrifizierung.“ Diese Debatte ist vorbei.“

Judith Lewis Mernit schreibt über Energie, Umwelt und soziale Gerechtigkeit aus Los Angeles, Kalifornien. Ihre Arbeiten wurden in High Country News, The Atlantic, Sierra und Audubon veröffentlicht. Finden Sie sie auf Twitter als @judlew. Mehr über Judith Lewis Mernit →

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