Die USA machen Fortschritte beim Bau von Elektrofahrzeugbatterien im eigenen Land

Gregory Barber

Die Geschichte der Batteriewissenschaft ist voller Kurzschlüsse, Explosionen – und gelegentlich auch Erlösungsgeschichten. Eine davon ist die Geschichte der Lithium-Eisenphosphat-Batterie.

LFP, wie es genannt wird (das „F“ bezieht sich auf den lateinischen Namen für Eisen) wurde im Labor von John Goodenough an der University of Texas als gutes Batteriematerial entdeckt. Er war (und ist mit 99 Jahren) ein legendärer Batteriewissenschaftler, der vor allem für die Entwicklung der Kathode bekannt ist – der Kristallstruktur, die beim Laden und Benutzen der Batterie Lithiumionen einfängt und freisetzt –, die 1991 zur ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie führte . LFP, das einige Jahre später auf den Markt kam, schien viele Vorteile gegenüber seinem Vorgänger zu haben. Die Kathode war stabil und langlebig und möglicherweise gut für den Antrieb von Elektroautos geeignet. Und im Gegensatz zu Goodenoughs vorheriger Kathode war sie nicht auf Kobalt angewiesen, ein relativ teures Metall, sondern auf gewöhnliches Eisen.

Doch als Venkat Srinivasan Anfang der 2000er Jahre als Postdoktorand anfing, an LFP zu arbeiten, schlugen seine Berater vor, dass er darüber nachdenken sollte, etwas anderes zu tun. „Sie sagten: ‚Warum beschäftigen Sie sich damit?‘“, erinnert er sich. Trotz all seiner Versprechen schien LFP keine glänzende Zukunft zu haben. Die Regierung bemühte sich intensiv darum, neben einem neuen Markt für Elektroautos auch eine LFP-Batterieindustrie aufzubauen, und investierte Geld in die Sache. Da sich Elektroautos jedoch nicht so schnell durchsetzten wie erhofft, gab es kaum einen Markt für Batterien als Antrieb. Unterdessen wurde LFP von neueren Batterierezepten überholt, die Kobalt mit Nickel kombinierten, um mehr Energie zu speichern.

Wie seltsam ist es dann, dass LFP 20 Jahre später überall ist. Danke Elon Musk. Im vergangenen Jahr hat der Tesla-CEO eine umfassende Umstellung auf die Chemie älterer Batterien angekündigt – eine Notwendigkeit, vor allem deshalb, weil die Nachfrage nach Batterien mittlerweile so hoch ist, dass die Branche auf eine Klippe bei der Materialversorgung zusteuert, die größtenteils aus Nickel und Kobalt besteht . Teslas Partner bei diesem Unterfangen ist CATL, der große Batteriehersteller in China, wo die Technologie im Laufe der Jahre gepflegt wurde und sich in aller Stille florierte und sich so weit verbesserte, dass LFP-Batterien nun eine Familienlimousine ausreichend antreiben können. Wie die meisten heute noch verwendeten großen Kathodenchemikalien wurde die Batterie in einem US-amerikanischen oder europäischen Labor entwickelt, ihre Zukunft liegt jedoch eindeutig in China, wo laut Benchmark Minerals heute 90 Prozent der LFP-Batteriezellen hergestellt werden. Für die USA ist „LFP eine verpasste Chance“, sagt Srinivasan.

Srinivasan, der jetzt Leiter des Collaborative Center for Energy Storage Science des Argonne National Lab ist, leitet eine Initiative der US-Regierung, die ähnliche Fehlschläge verhindern soll. Das Programm mit dem Namen Li-Bridge wurde diesen Herbst ins Leben gerufen, nachdem sich die Biden-Regierung das Ziel gesetzt hatte, 50 Prozent der Neuwagenverkäufe auf Elektrofahrzeuge umzustellen. Die Regierung hat erklärt, dass die USA zu viel Wert auf Batterietechnologie legen, die nur aus Übersee – insbesondere China – kommen könne. Auch die Autohersteller befürchten eine ähnliche Situation wie die aktuelle Versorgungskrise bei Mikrochips, die sie dazu zwingt, verzweifelt darum zu kämpfen, an der Spitze der Warteschlange zu stehen, wenn frische Chips vom Band kommen. „Das Letzte, was ich tun möchte, ist, mit den asiatischen Ländern zu verhandeln, um die Versorgung sicherzustellen“, warnte Robert Schilp, Einkaufsleiter für Elektrofahrzeuge bei Ford, letzten Monat auf einer Konferenz. „Wir müssen es hierher bringen.“ Wenn nicht, bedeutet das, dass US-Autohersteller am Ende möglicherweise weniger Elektrofahrzeuge verkaufen, als die Kunden wünschen.

Es gibt Anzeichen dafür, dass die Batterieindustrie ihre eigene Warnung beherzigt. Im vergangenen Monat kündigten GM und Posco Chemicals, ein koreanisches Unternehmen für Kathodenmaterialien, Pläne für eine US-Fabrik zur Herstellung von Kathodenmaterialien an. In Europa, wo die Batterieindustrie nicht viel weiter ist, hat Volkswagen eine Partnerschaft mit dem belgischen Materialkonzern Umicore geschlossen. Im September gab Redwood Materials, ein Unternehmen, das vielleicht am besten für das Recycling von Batteriematerialien bekannt ist, bekannt, dass es auch in die Kathodenherstellung einsteigt und den Bau einer US-Fabrik plant, die bis 2030 genügend Kathoden für 5 Millionen Elektrofahrzeuge produzieren wird Zu Beginn sagt Srinivasan: „Für jede Ankündigung, die gemacht wird, ist das fantastisch. Jetzt brauchen wir nur noch 20 davon.“

Andy Greenberg

Ngofeen Mputubwele

Julian Chokkattu

Matt Simon

Bis vor kurzem richtete sich die Dynamik in den USA stärker auf Fabriken, die Batteriezellen zusammenbauen. Dies ist einer der letzten Schritte, bevor die Batterie zu einem Autohersteller geht. Der Kern der Herstellung bleibt jedoch früher im Prozess – insbesondere die Herstellung der Materialien für die Kathode, die den größten Teil der Kosten einer Batterie und auch ihrer CO2-Emissionen ausmacht. Das liegt vor allem daran, wie weit die Atome, die in der Kathode landen, zurücklegen müssen, bevor sie ein Auto erreichen. Zuerst müssen sie im Zickzack tausende Kilometer um die Welt zurücklegen und durch viele Hände gehen, von Bergleuten über Verarbeiter und Raffinerien bis hin zu den Herstellern, die pulverförmige Kathodenmaterialien herstellen.

Einige dieser Schritte lassen sich leichter in die Nähe Ihres Zuhauses bringen als andere. An welchen Orten werden diese Mineralien ausgegraben? Die sind so ziemlich behoben. Der Großteil des weltweiten Kobalts stammt aus der Demokratischen Republik Kongo, während Nickel aus Ländern wie Russland und Indonesien abgebaut wird und Batteriehersteller Bieterkriege um Rechte an Lithium liefern, das aus Andensolen gewonnen wird. Die USA verfügen über kleine Nickel- und Kobaltreserven (am Montag gab Tesla bekannt, dass sie sich verpflichtet haben, beides von einer geplanten Mine im Norden von Minnesota zu kaufen) sowie über größere Lithiumquellen, die Umweltbedenken hervorgerufen haben und deren Erschließung Jahre dauern könnte läuft.

Autohersteller können mitbestimmen, welche Materialien wichtig sind, indem sie entscheiden, welche Kathoden in ihren Autos verbaut werden. Aber die Kompromisse können schwierig zu bewältigen sein, sagt Srinivasan, und selbst kleine Änderungen in der Kathodenchemie können eine radikal andere Lieferkette bedeuten. Die Förderung von Batterien mit geringerem Kobaltgehalt bedeutet beispielsweise oft eine höhere Nachfrage nach Nickel. Aufgrund der Art und Weise, wie das neue Material hergestellt wird, ist möglicherweise auch eine völlig neue Lithium-Lieferkette erforderlich. (Zur Information: Batteriehersteller möchten es in Form von Lithiumhydroxid und nicht in Form von Lithiumcarbonat, da es sich bei niedrigeren Temperaturen zersetzt.)

Eine beliebte Wahl für US-amerikanische Automobilhersteller, die mit Materialbeschränkungen konfrontiert sind, sind Kathoden mit hohem Nickel- und niedrigem Kobaltgehalt, da sie es den Automobilherstellern ermöglichen, mehr Reichweite in Fahrzeugbatterien zu packen, als dies bei der Umstellung auf LFP der Fall wäre. „Wenn es um die Energiedichte geht, gibt es kein besseres Metall als Nickel“, sagt Alan Nelson, Senior Vice President für Batteriematerialien bei Redwood. Für Redwood, das diese Art von Kathoden herstellen will, sei das Design besonders sinnvoll, sagt er, denn der Ansatz des Unternehmens, recycelte Materialien zu verwenden, bedeute, dass es nicht auf externe Kobaltquellen angewiesen sei – eine beneidenswerte Position in der Branche. Das Unternehmen muss jedoch Rohquellen für Nickel finden, meist wahrscheinlich aus Minen im Ausland.

Ein Vorteil, den China beim Aufbau der Batterieproduktion hat, besteht darin, dass es auch in den USA und Europa bei der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen führend ist, sagt Hans Eric Melin, Gründer von Circular Energy Storage, einem Batterieberatungsunternehmen. „Wo passiert alles? Wo sind die Ressourcen? Wo sind die Anführer?“ Fragt Melin. Dies könnte sich auch darauf auswirken, wer bei neuen Batterietechnologien führend ist, da es für chinesische Batteriehersteller wesentlich einfacher wird, neue Formulierungen auszuprobieren und zu skalieren. Er verweist auf die letztjährige Ankündigung, dass CATL die Herstellung von Natrium-Ionen-Batterien für Autos stark vorantreiben und damit den Kreis zu einer weiteren alten und fast vergessenen Technologie schließen würde, die größtenteils in Europa entwickelt wurde, und einen großen Durchbruch schafft.

Andy Greenberg

Ngofeen Mputubwele

Julian Chokkattu

Matt Simon

Chinas Nachfragevorteil gilt insbesondere für Autos mit kürzerer Reichweite, die LFP-Batterien verwenden, sagt Nikos Tsafos, Energie- und Geopolitikexperte am Center for Strategic and International Studies. Aber die USA könnten diese Lücke schließen, schlägt er vor. Wenn die Biden-Regierung das strategische Ziel hat, die Abhängigkeit der USA von Kobalt und Nickel zu verringern, sollte sie vielleicht mehr tun, um dies zu fördern. Vielleicht sollten Autos mit LFP-Batterien eine günstigere Steuergutschrift für Käufer erhalten. „Es scheint nicht sehr nützlich zu sein, ein Ziel und dann eine Reihe von Richtlinien zu haben, die nicht auf dieses Ziel abgestimmt sind“, sagt er. „Man könnte sagen: ‚Hey, nicht alle Batterien sind gleich.‘“

Die USA könnten auch daran arbeiten, einen weiteren Misserfolg bei neuen Technologien zu vermeiden. Srinivasan von Li-Bridge weist darauf hin, dass die USA bei der Erforschung neuer Technologien wie Siliziumanoden und Festkörperelektrolyten führend sind, von denen Experten hoffen, dass sie zu Batterien führen werden, die wesentlich leistungsfähiger und langlebiger sind als bestehende. Aber Erfolg ist nicht nur eine Frage eines Durchbruchs im Labor, stellt er fest. Es bedeutet auch, im Voraus einen Plan zu haben, in die Teile der Lieferkette zu investieren, in denen diese neuen Batterien tatsächlich hergestellt werden – und herauszufinden, welche alltäglichen Komponenten für ein neues Batteriedesign erforderlich sind und welche seltenen Mineralien plötzlich in großen Mengen beschafft werden müssen Bände. Das perfekte Rezept für eine Festkörperbatterie könnte durchaus eine Prise Zirkonium oder eine Prise Vanadium beinhalten. Wie Srinivasan es ausdrückt: „Woher bekommt man nochmals Zirkonium?“