Die Umstellung auf Elektrifizierung rückt in der Transportbranche immer mehr in den Mittelpunkt, da die Unternehmen versuchen, mit den sich ändernden Umweltvorschriften Schritt zu halten und gleichzeitig nachhaltigere und kostengünstigere Wege für den Antrieb ihrer Flotten zu finden.
Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) verzeichneten die USA und Europa im Jahr 2023 das schnellste Wachstum beim Verkauf von Elektrofahrzeugen (EV) China bleibt jedoch der größte Markt für Elektrofahrzeuge, da die Nachfrage bis 2023 um 18 % gestiegen ist.
Trotz der jüngsten Entwicklungen des geopolitischen Klimas in Bezug auf Zölle und mögliche Auswirkungen auf Lieferketten sehen Experten von Freudenberg e-Power System (FEPS) dank der Einführung neuer Produkte und der Diversifizierung der Batteriechemie ein starkes Wachstum im Bereich der Nutzfahrzeuge. Der Rohstoffmarkt spielt ebenfalls eine Rolle bei der Entscheidung über die Machbarkeit und Erschwinglichkeit der Elektrifizierung des globalen Verkehrs.
Freudenberg e-Power Systems designt, entwickelt und fertigt Hochleistungsbatterie- und Brennstoffzellensysteme. Die Systeme sind speziell für Busse, Trucks, maritime Anwendungen und Off-Road-Transporte konzipiert und angepasst. Die Batterie-Packs und Zellen des Unternehmens wurden in mehr als 2.500 Fahrzeugen installiert und haben zusammen mehr als 150 Millionen Kilometer weltweit zurückgelegt.
Jede Batterie besteht aus verschiedenen Elementverbindungen, die zusammen die Flotten auf der ganzen Welt antreiben.
Die Chemie der Batteriezellen in Verbindung mit dem Design und den Komponenten des Batterie-Packs bestimmt die folgenden Punkte:
Lebensdauer: Die Anzahl der Lade-/Entladezyklen, des Kapazitätsdurchsatzes oder des Energiedurchsatzes einer Zelle, bevor sie in einer Anwendung nicht mehr verwendet werden kann
Die wichtigsten Bestandteile von Batteriezellen sind Elektroden (eine Kathode und eine Anode), ein Separator und ein Elektrolyt. Bei Lithium-Ionen-Batterien besteht die Kathode, also die positive Seite der Batterie, aus einer Aluminiumfolie mit einer Beschichtung aus einem aktiven Materialverbund. Die negative Seite ist die Anode, die aus einer Kupferfolie mit einer Graphitverbundbeschichtung besteht. Wenn die Batterie geladen wird, werden durch eine chemische Reaktion positiv geladene Lithiumionen von der Kathode über den Elektrolyten zur negativ geladenen Anode geschickt. Bei der Entladung findet der umgekehrte Prozess statt, wobei ein Strom erzeugt wird, der das Gerät, das Fahrzeug oder das Schiff mit Strom versorgt. Wenn das Fahrzeug oder Schiff fährt, werden die Lithiumionen entladen und die Energie der geladenen Batterie wird reduziert. Der Separator verhindert den direkten elektrischen Kontakt zwischen Kathode und Anode.
LFP-Batterien haben aufgrund der langen Zykluslebensdauer bei 100 % Auslastung, der geringeren thermischen Durchgehenergie auf Zellebene und der niedrigeren Produktionskosten im Vergleich zu Nickel-Mangan-Kobalt-Batterien (NMC) großes Interesse geweckt. Verbesserungen der Energiedichte auf Packebene tragen ebenfalls dazu bei, die verhältnismäßige geringe Energiedichte von LFP auf Zellebene auszugleichen.
Nach Angaben der Internationalen Energieagentur ist LPF in China am weitesten verbreitet, während NMC in den USA und Europa häufiger vorkommt.
Der asiatisch-pazifische Markt, und insbesondere China, dominiert den Markt für Elektrofahrzeuge. In China sind einige der größten Hersteller von Elektroauto-Batterien ansässig und ein Großteil der Lieferkette bis hin zu den Rohstoffen verläuft laut MarketsandMarkets durch die Region, insbesondere für LFP.
LFP-Batterien werden schon seit Jahren in Pkw und Lkw eingesetzt, aber nach Ansicht der Experten von Freudenberg e-Power Systems erreicht die LFP-Technologie ihren Höhepunkt und öffnet die Tür für andere chemische Verfahren und Kombinationen.
NMC-Batterien verwenden Lithium, Nickel-Mangan, Kobalt und Oxid-Kathodenmaterial. Diese Batterien bieten die höhere Energiedichte, die für Hochleistungsanwendungen benötigt wird, mit langer Lebensdauer, hoher Leistung und schnellen Ladezeiten. NMC-Batterien haben darüber hinaus einen verhätnismäßig geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck und niedrigere Recyclingkosten am Ende ihrer Lebensdauer.
Freudenberg e-Power Systems hat sich bei der Elektrifizierung von Fähren, Bussen, Trucks sowie Bergbau- und Baumaschinen mit NMC-basierten Batterien bewährt. Unsere Batterie-Packs und Zellen wurden in mehr als 2.500 Fahrzeugen installiert und haben zusammen mehr als 150 Millionen Kilometer weltweit zurückgelegt.
LMFP-Batterien enthalten LFP und Mangan in der Kathode und bieten eine höhere Energiedichte und niedrigere Kosten, können aber Kompromisse in Bezug auf Zyklusdauer, Leistung und Ladegeschwindigkeit aufweisen.
Bei LTO-Batterien wird sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite der Batterie Aluminiumfolie verwendet, während als aktives Anodenmaterial Lithiumtitanat anstelle von Graphit eingesetzt wird. Die Haupteigenschaften dieser Zellen sind eine extrem lange Zykluslebensdauer, hohe Lade-/Entladeraten und thermische Stabilität, aber sie sind teurer.
LFP- und nickelhaltige NMC-Batterien sind derzeit die Standardprodukte auf dem Markt, aber FEPS-Experten glauben, dass eine Innovation bei NMC-Batterien die Zukunft der Elektrifizierung von Schwerlastfahrzeugen ist, insbesondere im maritimen Markt.
"Nickel ist gut für die Energiedichte, Kobalt ist gut für die Stabilität und Mangan hilft, die Kosten niedrig und die Ladegeschwindigkeit hoch zu halten", sagt Dr. Kevin Dahlberg, Freudenberg e-Power Systems Vice President of Cell Technology. "Mid-Nickel, einkristallines NMC ist gerade erst auf den Markt gekommen und birgt ein großes Innovationspotenzial, insbesondere in Kombination mit unserer Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Hochleistungs-Energiezellen für Schwerlastanwendungen."
NMC-Verbindungen gibt es in verschiedenen Formen, NMC811, NMC622, NMC111, die in der Regel durch ihren Nickelgehalt bezeichnet werden. Je höher die erste Zahl ist, desto höher ist der Nickelgehalt in der Verbindung. Die Chemiker von FEPS haben Wege erforscht und entwickelt, um die Kraft von NMC auf eine neue Art und Weise nutzbar zu machen, von der sie glauben, dass sie dazu beitragen wird, Anwendungen auf der ganzen Welt zu elektrifizieren.
Das Ergebnis ist eine einkristalline NMC-Kathodenchemie mit mittlerem Nickelgehalt, die ein optimales Gleichgewicht zwischen Energiedichte, Zykluslebensdauer, Ladegeschwindigkeit und thermischer Stabilität unter den vorgesehenen Bedingungen bietet.
"Die Energiezellen bieten das richtige Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten, um ein hochoptimiertes Energiespeichersystem für anspruchsvolle Anwendungen, wie zum Beispiel in der maritimen Industrie, zu schaffen", sagt Dr. John Camardese, Freudenberg e-Power Systems Director of Cell Development. Darüber hinaus ermöglicht der Trend zu niedrigeren Kosten für kritische Mineralien, einschließlich Lithium, Kobalt und Nickel, dass NMC-betriebene Produkte in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten äußerst wettbewerbsfähig sind."
Der Einsatz der einkristallinen NMC-Kathode mit mittlerem Nickelgehalt ermöglicht die Elektrifizierung spezifischer Anwendungen in bestimmten Branchen, die ein optimales Gleichgewicht zwischen Energiedichte, Zykluslebensdauer und Ladegeschwindigkeit erfordern.
"Es gibt eine Lücke in der Mitte der Leistungstabelle. Dieses Produkt füllt diese Lücke, die nur wenige Unternehmen erforscht haben. In diesem Bereich gibt es derzeit nichts", sagt Camardese.
Jüngste Tests des Forschungs- und Entwicklungsteams von FEPS zeigen die Durchsatzkapazität in Abhängigkeit von der Entladetiefe für unsere Einkristall-NMC-Energiezelle mit mittlerem Nickelgehalt im Vergleich zu LFP- und nickelreichen Zellen. Die Durchsatzkapazität ist ein wichtiges Ziel der Zykluslebensdauer: die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge, die eine Zelle mit ihrer vollen Kapazität durchführen kann, bevor sie am Ende ihrer Lebensdauer angelangt ist. Die Gesamtbetriebskosten sind eine komplexe Gleichung, aber im Allgemeinen werden die Gesamtbetriebskosten minimiert, wenn die Durchsatzkapazität für eine bestimmte Anwendung ausreichend ist.
Bei hohem DOD können die Chemikalien relativ ähnlich in Bezug auf die Durchsatzkapazität abschneiden. Diese Durchsatzkapazität reicht für einen oder weniger vollständige äquivalente Zyklen pro Tag während der Anwendungsdauer aus, und da LFP geringere Anschaffungskosten hat, sind die Gesamtbetriebskosten für solche Anwendungen günstig.
Viele Anwendungen erfordern jedoch eine maximale Betriebszeit und mehrere Aufladungen pro Tag, insbesondere bei der Verbesserung der Schnellladeinfrastruktur, beim autonomen Betrieb und bei Hybridsystemen, so dass sie eine viel höhere Durchsatzkapazität für die gleiche Anwendungsdauer benötigen. Hier zeichnet sich die NMC-Chemie durch eine zunehmende Steigerung der Durchsatzkapazität aus, wenn sie für niedrigere DODs ausgelegt ist, im Gegensatz zur LFP-Chemie, die eine relativ konstante Durchsatzkapazität hat, die bei hoher Nutzung sogar abnehmen kann. Insbesondere die Einkristall-NMC-Chemie mit mittlerem Nickelgehalt in den SHP-Energiezellen der Generation 3 kann sehr hohe Durchsatzkapazitäten erreichen, selbst bei hoher 2C-Laderate und Entladung bei jedem Zyklus.
Auch hier sind die Gesamtbetriebskosten eine komplexe Gleichung, die die anfänglichen Energiekosten, eine ausreichende Durchsatzkapazität und den Verzicht auf den Austausch von Batterien während der Nutzungsdauer, Einsparungen bei den Kraftstoffkosten und der routinemäßigen Wartung von Dieselmotoren sowie mehr Zeit für die bestimmungsgemäße Nutzung des Geräts, LKWs oder Schiffs umfasst. Es gibt kein Patentrezept für die Elektrifizierung schwerer Nutzfahrzeuge.
Freudenberg e-Power Systems ist bestrebt, nachhaltige Lösungen für Schwerlastanwendungen im Straßen- und Schiffsverkehr anzubieten. Dazu gehören auch Anwendungen, die höchste Durchsatzleistung und Zykluslebensdauer erfordern, wie unsere NMC-Einkristall-Energiezellen mit mittlerem Nickelgehalt.
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Im nächsten Beitrag erklären wir, wie FEPS zur Mittelnickel- und Einkristallchemie gekommen ist. Außerdem zeigen wir, für welche Anwendungen diese Chemie geeignet ist – und warum FEPS-Experten sie besonders für den maritimen Bereich empfehlen.
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