(Grafik von Visual Capitalist veröffentlicht am 15. Juni 2021)
Länder auf der ganzen Welt arbeiten an einer umweltfreundlicheren Zukunft und Elektrofahrzeuge (EVs) sollen ein Schlüsselelement sein.
Tatsächlich ist die EV-Revolution bereits in vollem Gange: Die Zahl der Elektroautos ist von 17.000 im Jahr 2010 auf 7,2 Millionen im Jahr 2019 gestiegen – ein 423-facher Anstieg in weniger als einem Jahrzehnt. Gleichzeitig halten wir die Vielfalt der Materialien, die moderne Technologie zum Funktionieren bringen, oft für selbstverständlich. Der Umstieg auf Elektrizität erfordert den Einsatz strategischer Mineralien, insbesondere Kobalt.
Die Infografik untersucht, wie das Kobalt in Lithiumbatterien den Unterschied für leistungsstarke und zuverlässige Batterietechnologie ausmacht.
Der Konkurrenz einen Schritt voraus: die Lithium-Kobalt-Kombination
Es gibt fünf primäre Lithiumbatteriekombinationen für Elektrofahrzeuge, jede mit Vor- und Nachteilen: Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA), Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (NMC), Lithiummanganoxid (LMO), Lithiumtitanat (LTO) und Lithiumeisenphosphat (LFP).
Aus der Fülle an Lithium-Ionen-Batteriezusammensetzungen bevorzugen Elektrofahrzeughersteller die Lithium-Kobalt-Kombination. Daher sind NCA- und NMC-Batterien in Elektrofahrzeugen am weitesten verbreitet.
| NCA-Batterien | NMC-Batterien |
|---|---|
| Bieten eine hohe spezifische Energie und Leistung, ermöglichen Elektrofahrzeugen größere Reichweite | Bieten ein ähnliches Leistungsniveau |
| Verwenden weniger Kobalt, was sie kostengünstiger macht, aber auch anfälliger für Überhitzung | Verwenden mehr Kobalt, was sie teurer macht; insgesamt sicherer |
| Üblicherweise verbaut in Tesla-Elektrofahrzeugen | Häufig in Elektrofahrzeugen von Nissan, Chevrolet und BMW |
Die geringe Energiedichte und Leistung der anderen Batterien machen sie für Elektrofahrzeuge mit großer Reichweite unpraktisch – was teilweise auf den Mangel an Kobalt zurückzuführen ist.
Warum Lithium-Kobalt?
Wenn es um den Antrieb von Elektrofahrzeugen geht, sind Lithium-Kobalt-Batterien unübertroffen. Besondere Eigenschaften von Kobalt zeichnen sie aus: hohe Energiedichte, thermische Stabilität, hohe spezifische Leistung, geringe Selbstentladungsrate, geringes Gewicht, Recyclingfähigkeit.
Lithium-Kobalt-Batterien ermöglichen nicht nur eine größere Reichweite von Elektrofahrzeugen, sondern verbessern auch die Sicherheit und Nachhaltigkeit.
Kobalt: Das stabile Batterieelement
Die hohe Energiedichte von Kobalt ermöglicht es Batterien, mehr Energie auf kleineren Raum zu packen, wodurch sie gleichzeitig leicht und leistungsstark sind. Darüber hinaus erhöht seine Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Elektrofahrzeugen.
Darüber hinaus erhöht Kobalt die Lebensdauer von Batterien und bleibt hochgradig recycelbar, was eine nachhaltigere Batterielieferkette fördert.
Trotz seiner Vorteile unternehmen Elektrofahrzeughersteller aus verschiedenen Gründen im Zusammenhang mit der Lieferkette Anstrengungen, den Kobaltgehalt ihrer Batterien zu reduzieren:
Kobalt ist ein Nebenprodukt des Nickel- und Kupferabbaus, was die Gewinnung erschwert. Kobalt ist mit 33.000 US-Dollar pro Tonne teuer – mehr als doppelt so teuer wie Nickel. Die breite Öffentlichkeit verbindet den Kobaltabbau im Kongo mit Kinderarbeit, harten Bedingungen und Korruption. Obwohl Kobalt möglicherweise mit unethischen Bergbaupraktiken in Verbindung gebracht wird, ist es für Hersteller von Elektrofahrzeugen nach wie vor unverzichtbar.
Zerlegen einer Lithium-Kobalt-Batterie
Lithium-Kobalt-Batterien bestehen aus drei Schlüsselkomponenten:
Die Kathode ist eine Elektrode, die eine positive Ladung trägt und aus Lithium-Metalloxid-Kombinationen aus Kobalt, Nickel, Mangan, Eisen und Aluminium besteht. Die Anode ist eine negativ geladene Elektrode, meist aus Graphit.
Der Elektrolyt ist ein Lithiumsalz in flüssiger oder gelförmiger Form und ermöglicht den Ionenfluss von der Kathode zur Anode (und umgekehrt).
Wie es funktioniert
Beim Laden der Batterie fließen Lithiumionen über den Elektrolyten von der Kathode zur Anode, wo sie für den Gebrauch gespeichert werden. Gleichzeitig passieren Elektronen einen externen Stromkreis und werden über einen negativen Stromkollektor in der Anode gesammelt.
Wenn die Batterie einen elektrischen Strom erzeugt (d. h. entlädt), fließen die Ionen über den Elektrolyten von der Anode zur Kathode und die Elektronen kehren entlang des externen Stromkreises ihre Richtung um, wodurch das Elektrofahrzeug mit Strom versorgt wird.
Die Zusammensetzung der Kathode bestimmt maßgeblich die Batterieleistung. Bei EV-Batterien spielt hier die Lithium-Kobalt-Kombination eine entscheidende Rolle.
Der Markt für Elektrofahrzeuge könnte im nächsten Jahrzehnt ein enormes Wachstum erleben, steht aber vor mehreren Hindernissen. Derzeit ist die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge teuer und nicht so praktisch wie die örtliche Tankstelle – und Lithium-Kobalt-Batterien könnten helfen, dieses Hindernis zu überwinden.
Batteriespeicher: Die Zukunft der Ladestationen für Elektrofahrzeuge?
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Batterie eines Elektrofahrzeugs aufzuladen:
Wechselstromladegeräte (AC) liefern einen Wechselstrom, der periodisch die Richtung umkehrt. Gleichstrom-Schnellladegeräte (DC) liefern Gleichstrom, der sich nur in eine Richtung bewegt.
Aber es gibt einen Haken.
EV-Batterien können Energie nur in Form von Gleichstrom speichern. Um eine Batterie eines Elektrofahrzeugs aufzuladen, muss das Bordladegerät den Wechselstrom von Wechselstrom-Ladegeräten in Gleichstrom umwandeln, was die Ladezeiten erheblich verlängert.
Heutzutage sind Ladegeräte für Elektrofahrzeuge in drei verschiedenen Ausführungen erhältlich:
| Art des Ladegeräts | Beschreibung | Maximal entnommene Energie pro Stunde | Ladezeit (60-kWh-EV-Batterie) |
|---|---|---|---|
| Wechselstrom (AC) Stufe 1 | Laden über einen 120-Volt-Wechselstromstecker | 1,4 kW | 2.400 Minuten |
| Wechselstrom (AC) Stufe 2 | Laden über einen 240-Volt-Wechselstromstecker | 7,2 kW | 500 Minuten |
| Gleichstrom (DC) | Laden Elektrofahrzeuge schnell auf, sind jedoch teurer in der Installation und Nutzung | 50-350 kW | Bereich zwischen 10 und 75 Minuten |
Unterdessen schrecken immer noch mehrere Hindernisse die Käufer von Elektrofahrzeugen ab, angefangen bei der fehlenden Ladeinfrastruktur bis hin zu langen Ladezeiten.
Stationäre Batteriespeicher könnten die Lösung sein.
Stationäre Batteriespeicher: Lösung des Rätsels um das Laden von Elektrofahrzeugen
Geladene Batterien können Elektrofahrzeuge mit Gleichstrom versorgen, ohne in Zeiten hoher Nachfrage Strom aus dem Netz beziehen zu müssen. Dadurch können die Strompreise, die einen großen Teil der Stromrechnung einer Ladestation ausmachen, erheblich gesenkt werden.
Der höchste Stromverbrauch zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmt die Leistungsentgelte, unabhängig von den Kosten der tatsächlich verbrauchten Energie. Mit anderen Worten: Die Bedarfsgebühren können zu Zeiten, in denen mehrere Fahrzeuge über Strom aus dem Netz geladen werden, astronomische Ausmaße annehmen.
Stationäre Batteriespeicher könnten in Zeiten geringer Nachfrage über das Netz geladen werden und in Zeiten hoher Nachfrage zur Gleichstromversorgung von Fahrzeugen genutzt werden.
Dadurch könnten sich die Ladezeiten und die Stromkosten drastisch verkürzen.
Stationäre Batteriespeicher ermöglichen
Die Entwicklung stationärer Batteriespeicher im großen Maßstab ist teuer. Lithium-Kobalt-Batterien könnten diese Kosten durch ihre Recyclingfähigkeit senken.
Sofern sie nicht irreparabel beschädigt sind, können Recyclingunternehmen Lithium-Kobalt-Batteriepakete für ein zweites Leben als stationäre Speichersysteme aufbereiten.
Die Wiederverwendung von Batterien fördert eine Kreislaufwirtschaft und reduziert Abfall, Umweltverschmutzung und Kosten. Dies würde nicht nur die Ladeinfrastruktur verbessern, sondern auch eine nachhaltigere Lieferkette für Elektrofahrzeugbatterien schaffen.
Lithium-Kobalt-Batterien: gekommen, um zu bleiben
Trotz der Bemühungen, den Kobaltgehalt in Batterien zu reduzieren, bleibt die Lithium-Kobalt-Kombination die optimale Technologie für Elektrofahrzeugbatterien.
Auf dem Markt für Elektrofahrzeuge steht ein Wachstum bevor, und Lithium-Kobalt-Batterien könnten eine zentrale Rolle bei der Verbesserung sowohl der Fahrzeugleistung als auch der Ladeinfrastruktur spielen.
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