In der kürzlich erschienenen Ausgabe von Nature wies ein Artikel mit dem Titel "Tenyearslefttoredesignlithium-ionbatteries" darauf hin, dass die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie Leistung und Preis verlangsamt. Wenn wir die Erforschung von Elektrodenmaterialien auf der Basis von reichlich Eisen, Kupfer und anderen Materialien nicht intensivieren, wird die großangelegte Entwicklung von Elektrofahrzeugen begrenzt sein.
Elektroautos brauchen leistungsstarke, leichte und preisgünstige Batterien, die beste Wahl sind kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien - sie sind relativ kompakt und stabil, aber sie sind immer noch zu sperrig und teuer, um weit verbreitet zu sein.
Seit zwanzig Jahren nimmt die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus ständig zu: Die Kapazität des Akkus hat die gespeicherte Energie von 200 Wattstunden pro Wh (Wh) auf 700 Wattstunden mehr als verdreifacht. Die Kosten sind um das 30-fache auf rund 150 US-Dollar pro kWh gesunken, aber immer noch über 100 US-Dollar pro Kilowatt-Erschwinglichkeitsziel, bei Elektrofahrzeugen (50-100 kWh). Der Akku ist stark genug, wiegt aber immer noch rund 600 Kilogramm und benötigt 500 Liter Platz.
Da sich die traditionellen Technologien den grundlegenden Grenzen nähern, verlangsamt sich der technologische Fortschritt: Die Menge an Ladung, die in den Lücken in der Kristallstruktur des Elektrodenmaterials gespeichert werden kann, liegt nahe am theoretischen Maximum, das erwartete Marktwachstum senkt den Preis nicht wesentlich - der Markt ist bereits groß .
Forscher haben davor gewarnt, dass Kobalt, Nickel und andere seltene Metallsubstitute so schnell wie möglich gefunden werden müssen, um die wachsende Nachfrage nach Elektrofahrzeugbatterien zu befriedigen, da ihre Knappheit die Preise hochtreibt: in den vergangenen zwei Jahren Kobalt, Nickel und andere Seltene Der Preis für Metall hat sich von 22 US-Dollar pro Kilogramm auf 81 US-Dollar pro Kilogramm vervierfacht, und Wissenschaftler und Ingenieure werden dazu angehalten, billige, unkonventionelle Metalle wie Eisen und Kupfer zu entwickeln, da die Hersteller Kürzungen vornehmen und Umwelt- und Sicherheitsvorschriften verletzen. Mögliche Alternativen.
Die Forscher sagen, dass Lithium-Ionen-Batterien funktionieren, indem sie Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden bewegen.Der Ionenentladungsstrom von der Anode zur Kathode versorgt das Auto mit Energie.Wenn die Batterie geladen wird, werden Lithiumionen wieder auffließen.
In heutigen kommerziellen Batterien für elektrische Fahrzeuge werden Lithiumionen in winzigen Hohlräumen in den Kristallen gehalten, die die Elektroden bilden (diese Kristalle werden als interkalierte Elektroden bezeichnet) Die Anode besteht üblicherweise aus Graphit und die Kathode besteht aus Metalloxid. Materialien, die in Elektroden verwendet werden, insbesondere in seltenen Metallen wie Kobalt und Nickel, sind sowohl selten als auch teuer.
Die aussichtsreichste Alternative stellt unseres Erachtens ein Umwandlungsmaterial in der Elektrode dar. Kupfer, Eisen, Fluorid und Silizium reagieren mit Lithiumionen, wobei das Übergangsmetall in der Konversionskathode 6 mal mehr Lithiumatome aufnehmen kann als die Standardkathode. Dieses Material dehnt sich mehr aus und kann mehr Lithiumatome enthalten.
Wenn sich nichts ändert, wird die Nachfrage die Produktion in 20 Jahren übersteigen, wir erwarten, dass der Kobaltpreis bis 2030 steigt und der Nickelpreis 2037 oder früher steigt.
Autohersteller und die Regierung erwarten, bis 2025 jährlich 10 bis 20 Millionen Elektrofahrzeuge zu produzieren. Wenn jede Autobatterie 10 kg Kobalt benötigt, benötigen Elektroautos bis 2025 jährlich 100.000 bis 200.000 Tonnen Kobalt - - Dies ist die Mehrheit der aktuellen Produktion der Welt.Ahnlich benötigt man jährlich 400.000-800.000 Tonnen Nickel, 20-40% der heute verwendeten Metalle.Wenn Lastwagen, Busse, Flugzeuge und Boote auf Batterieleistung umgestellt werden, brauchen sie mehr Mehr Strom.
Bis zum Jahr 2050 wird die Produktion von 50 bis 80 Millionen Elektrofahrzeugen pro Jahr 500.000 bis 800.000 Tonnen Kobalt erfordern, die bis 2030 die derzeitige Abbaukapazität weit übersteigen wird, ebenso wird die Nachfrage nach Nickel bis 2050 steigen Bis Mitte der 1930er Jahre wird der Mangel an Nickel offensichtlich sein.
Recycling kann keine Materialien auffüllen Lithium-Ionen-Batterien haben eine Lebensdauer von 15-20 Jahren, das ist das Dreifache der Lebensdauer von Bleibatterien in 5-7 Jahren Raffinerien können, besonders im Falle von Preiserhöhungen, minderwertige Erze abbauen. Höhere Produktionskosten werden jedoch die Preise nach oben treiben.Wenn die Spitzenwerte erreicht sind, schätzen wir, dass der Preis von Elektroautobatterien um mehr als 1.000 Dollar steigen kann.Wenn Kathoden mit weniger Metall hergestellt werden, können "Kobaltpeaks" um einige Jahre verzögert werden. Kathodenmaterialien, die weniger Kobalt verwenden, sind jedoch in Entwicklung, wobei sie sich schneller abbauen und häufiger ausgetauscht werden müssen.
