Lithium-Schwefel-Batterien könnten höhere Energiedichten als Nickel- und Kobalt-Batterien zu niedrigeren Preisen als LFP haben
Der Übergang zur Elektromobilität ist in vollem Gange. Im vergangenen Jahr wurden weltweit rund 10 Millionen Elektrofahrzeuge verkauft. Führend in Bezug auf den Marktanteil von Elektrofahrzeugen ist Norwegen, wo die Marktanteile für das Gesamtjahr 2022 79,3 % für BEV und 8,5 % für PHEV betrugen, was zusammen 87,8 % ergibt. Auch Schweden und einige andere folgen diesem Weg zu hohen Anteilen der EV-Durchdringung am Neuwagenverkauf. In Großbritannien wurden im Dezember 2022 Rekordumsätze erzielt. Jedes dritte im Dezember verkaufte Fahrzeug war ein batterieelektrisches Fahrzeug. Zum ersten Mal übertrafen die BEV-Verkäufe in Großbritannien die Verkäufe von Benzinfahrzeugen innerhalb eines Monats. In Bezug auf das Verkaufsvolumen war China, der weltweit größte Automarkt, mit über 5 Millionen verkauften Elektrofahrzeugen im Jahr 2022 erneut führend.
Mittlerweile sind weltweit mehr als 20 Millionen Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs und die globale Elektrofahrzeugflotte wächst viel schneller als bisher angenommen. EIN Prüfbericht Laut IEA sieht das Szenario „Netto-Null-Emissionen bis 2050“ eine Elektroautoflotte von über 300 Millionen weltweit im Jahr 2030 vor. Elektroautos werden bis dahin 60 % der Neuwagenverkäufe ausmachen. 2030 ist nur noch 7 Jahre entfernt. Wenn wir die 280 Millionen Fahrzeuge in 7 Jahren hinzufügen wollen, brauchen wir viele Batterien, die aus billigeren und reichlicheren Materialien hergestellt werden, die nicht nur das Leistungsniveau der aktuellen Generation von Traktionsbatterien halten, sondern auch verbessern. Dies läuft auf die Batteriechemie hinaus und darauf, tief in die Materialien einzutauchen, die uns dorthin bringen können, und die großen Probleme zu lösen, bei denen bisher nur begrenzte Fortschritte erzielt wurden. Energiesicherheit, die Lokalisierung von Lieferketten und die Verringerung der Abhängigkeit von geopolitisch und ethisch sensiblen Materialien werden ebenfalls wichtige Überlegungen sein.
Eine der idealen Zusammensetzungen von Batterien, die die niedrigsten Kosten und einige der höchsten Energiedichten bieten, beinhaltet das Reduzieren von Lithium-Metall-Anoden und Lithium-Schwefel-Kathoden, während der Zugang zum Schwefel bei niedrigen Elektrolytverhältnissen möglich ist, wodurch das Zellgewicht reduziert wird. Schwefel wäre ein wichtiges Kathodenmaterial, da es das kostengünstigste und energiereichste Kathodenmaterial im Periodensystem bietet, sagt Conamix. Conamix mit Sitz in Ithaca, New York, ist ein von Wagniskapital unterstütztes Unternehmen für Batteriematerialien, das von einem Team hartgesottener Batterieexperten geleitet wird, die Schwefelkathoden aus dem unerreichbaren Heiligen Gral der Lithium-Ionen-Kathoden mit der Energie in ein globales Produkt verwandeln , Leistung und Lebensdauer, die von der EV-Revolution gefordert werden. Charlotte Hamilton ist CEO und Mitbegründerin von Conamix. Conamix verfügt über ein Portfolio von Dutzenden von Patentfamilien.
Die Herausforderungen mit Kobalt für NMC-Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte, einschließlich der hohen Kobaltkosten und ethischer Beschaffungsprobleme, sind bekannt und wurden bereits ausführlich dokumentiert. Eine weitere Schlüsselkomponente ist Nickel, und Elon Musk hat vor einigen Jahren erklärt, dass wir mehr Nickel brauchen! Die Kommerzialisierung der weltweit ersten schwefelbasierten Lithiumbatterie wird die Abhängigkeit von Kobalt und Nickel verringern und gleichzeitig die Kosten von EV-Batterien erheblich um 30 % senken, da Schwefel reichlich vorhanden und billiger ist. Die weltweite Schwefelproduktion ist bereits vorhanden 77 Millionen Tonnen pro Jahr und die USA sind der zweitgrößte Produzent der Welt. Schwefel ist auch ein Nebenprodukt der Öl- und Gasförderung.
Conamix wurde 2014 gegründet und ist erst kürzlich aus dem Stealth-Modus herausgekommen. Seine Arbeit baut auf Innovationen auf, die in Cornell, Stanford, University of Waterloo, Berkeley Lab und anderen globalen Forschungseinrichtungen entwickelt wurden. Conamix schloss eine Finanzierungsrunde der Serie B ab und sicherte sich außerdem einen Vertrag über 8,6 Millionen US-Dollar von der Federal Intelligence Advanced Research Projects Activity.
Ich habe kürzlich mit Charlotte Hamilton (CH) über die bisherigen Fortschritte auf dem Weg gesprochen, Lithium-Schwefel-Batterien in Autos und auf die Straße zu bringen.
RJK: Was sind die allgemeinen Herausforderungen in der EV-Batterieindustrie?
CH: Die EV-Batterieindustrie steht vor einer Versorgungskrise und einem erstmaligen Anstieg der Kosten für Hochenergie-EV-Batterien auf Zellenebene in jüngster Zeit aufgrund des Angebotsdrucks bei Kobalt und hochreinem Nickel. Da die Welt bei immer mehr Elektrofahrzeugen die vorhandene Chemie auf knappe Materialien für Fahrzeugbatterien mit hoher Reichweite umstellt, wird sich der Angebots- und Preisdruck nur noch verschärfen, ohne dass sich die Kernchemie für Zellen von Elektrofahrzeugen mit hoher Reichweite ändert.
RJK; Was sind einige der größten Herausforderungen von Lithium-Schwefel?
CH: Lithiumschwefel stand in der Vergangenheit aufgrund der Natur von Schwefel als Kathodenmaterial vor einer Herausforderung der Zykluslebensdauer. Auf der Kathodenseite der Batterie wird der Schwefel einer Umwandlung unterzogen, um Energie zu speichern und freizusetzen. Diese Umwandlung erzeugt Polysulfidmaterialien, die, wenn sie nicht in der Struktur und Chemie der Kathode enthalten sind, mit jedem Zyklus der Batterie zu einer immer geringeren Kapazität führen. Die andere spezifische Herausforderung besteht darin, Lithium-Schwefel-Kathoden mit einer sehr geringen Menge an flüssigem Elektrolyt im System mit hoher Energie und Leistung arbeiten zu lassen. In der Vergangenheit haben die Ansätze für Lithiumschwefel einen Überschuss an Elektrolyt verwendet, um die Energie des Schwefels vollständig nutzen zu können. Dieser Überschuss an Elektrolyt führt zu einer sehr niedrigen Energiedichte, wenn Sie zu mehrschichtigen Zellen und kompletten EV-Packs wechseln, bei denen Sie nicht den Platz oder das Gewicht zur Verfügung haben, um überschüssigen Elektrolyt aufzunehmen.
RJK: Wie arbeitet Conamix daran, diese Herausforderungen zu lösen?
CH: Conamix arbeitet seit einem halben Jahrzehnt im Stealth-Modus mit guter Risikofinanzierung, um beide zentralen Herausforderungen mit Schwefel direkt anzugehen. Wir haben unsere Zellen Jahr für Jahr auf immer niedrigere Elektrolytverhältnisse gebracht, um neue Ausfallarten für Lithium-Schwefel zu entdecken und zu lösen. Jedes Mal, wenn wir die Batterie in einen Fehlermodus bringen, können wir eine neue materialwissenschaftliche Lösung finden. In einer elektrolytarmen Umgebung, die für ein EV-Paket mit hoher Energiedichte erforderlich ist, verwenden wir eine Vielzahl multifunktionaler Additive und eine präzise Strukturierung des Kathodenmaterials, um eine Zelle mit hoher Energiedichte zu erreichen. Wir sind jetzt in der Lage, auf der Kathodenseite in einem Niedrigelektrolytsystem die Energiedichte von Automobilen zu erreichen, und wir arbeiten derzeit mit mehreren Partnern zusammen, um unser fortschrittliches kathodenaktives Material mit der richtigen Anodentechnologie zu kombinieren, um extrem niedrige Kosten und hohe Kosten zu erzielen Energie EV-Zelle.
Wir konzentrieren uns insbesondere auf die Herstellung kobalt- und nickelfreier Systeme, um einige der Engpässe in der Lieferkette zu beseitigen, die derzeit bei Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Reichweite für den EV-Markt auftreten. Alle unsere Materialien sind als Drop-in-Materialien konzipiert, die mit bestehenden Herstellungsverfahren auf Kathoden aufgetragen werden können. Schwefel und die anderen Materialien, die wir auf der Kathodenseite verwenden, sind weltweit ebenfalls weit verbreitet, und durch zusätzliche technische Integration mit anderen Materialien werden wir die Herstellung einer EV-Zelle mit großer Reichweite aus reichlich vorhandenen, kostengünstigen Materialien ermöglichen. Wir gehen davon aus, dass wir in der Lage sein werden, die gravimetrische und volumetrische Energiedichteleistung bestehender kobaltbasierter Lithium-Ionen-Systeme zu erreichen oder zu übertreffen, während die Kosten deutlich geringer sind als bei LFP-basierten Batterien mit niedrigerem Energieverbrauch.
Conamix verwendet einen Stapel multifunktionaler Materialien, um die Probleme anzugehen, die die Lithium-Schwefel-Technologie zum Stillstand gebracht hatten. Das Bild des Rasterelektronenmikroskops (SEM) oben auf der Seite veranschaulicht einige dieser Materialien. Conamix enthält „Meta-Partikel“ mit Gradientenstrukturen, um den Transport von Ionen und Elektronen auszugleichen, um eine verbesserte Leistungsfähigkeit und Energiedichte zu ermöglichen. Sie verwenden auch „Life Bi-functional-Kathodenadditive“, die gleichzeitig Lithium-Ionen speichern und Elektronen leiten und damit teure und Platz verschwendende Kohlenstoffe ersetzen, zusammen mit einem neuen „bindenden“ Molekül, das die elektrochemische Reaktion räumlich einschränkt, die Energie speichert und dadurch die Lebensdauer verlängert die neuartigen Elektrolytkomponenten, die die Grundeffizienz des Elektrolyten verbessern und eine verbesserte Energiedichte bieten.
Wann können wir also damit rechnen, diese Lithium-Schwefel-Batterien in unseren Fahrzeugen zu sehen? Nun, es müssen noch viele Schritte befolgt werden, um sie vollständig konform und zertifiziert zu machen, aber Conamix hofft, alle Prozesse zu durchlaufen und Batterien bis etwa 2028, also nur noch 5 Jahre entfernt, für den kommerziellen Einbau in Fahrzeuge bereit zu haben. Das ist weniger Zeit von jetzt bis dahin, als die meisten OEMs brauchen, um eine aktualisierte Version eines ihrer Fahrzeugmodelle herauszubringen. Es ist also nicht mehr lange her, bis wir etwas von dieser bahnbrechenden Batterietechnologie in Autos und auf der Straße bekommen.
Bilder mit freundlicher Genehmigung von Conamix
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