Die sechs wichtigsten Arten von Lithium

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Lithium-Ionen-Batterien stehen im Mittelpunkt der Energiewende und sind die Schlüsseltechnologie für den Antrieb von Elektrofahrzeugen (EVs) und Energiespeichersystemen.

Allerdings gibt es viele Arten von Lithium-Ionen-Batterien, jede mit Vor- und Nachteilen.

Die obige Infografik zeigt die Kompromisse zwischen den sechs wichtigsten Lithium-Ionen-Kathodentechnologien basierend auf Forschungen von Miao et al. und Battery University. Dies ist die erste von zwei Infografiken in unseremReihe Batterietechnik.

Jeder der sechs verschiedenen Typen von Lithium-Ionen-Batterien hat eine andere chemische Zusammensetzung.

Die Anoden der meisten Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus Graphit. Typischerweise ist es die Mineralzusammensetzung der Kathode, die sich ändert und den Unterschied zwischen den Batteriechemien ausmacht.

Das Kathodenmaterial enthält typischerweise Lithium sowie andere Mineralien wie Nickel, Mangan, Kobalt oder Eisen. Diese Zusammensetzung bestimmt letztendlich die Kapazität, Leistung, Leistung, Kosten, Sicherheit und Lebensdauer der Batterie.

Werfen wir vor diesem Hintergrund einen Blick auf die sechs wichtigsten Lithium-Ionen-Kathodentechnologien.

NMC-Kathoden enthalten typischerweise große Anteile an Nickel, was die Energiedichte der Batterie erhöht und größere Reichweiten in Elektrofahrzeugen ermöglicht. Ein hoher Nickelgehalt kann die Batterie jedoch instabil machen, weshalb Mangan und Kobalt zur Verbesserung der thermischen Stabilität und Sicherheit eingesetzt werden. Mehrere NMC-Kombinationen waren kommerziell erfolgreich, darunterNMC811(bestehend aus 80 % Nickel, 10 % Mangan und 10 % Kobalt),NMC532, UndNMC622.

NCA-Batterien haben die gleichen Vorteile wie NMC auf Nickelbasis, darunter eine hohe Energiedichte und spezifische Leistung. Anstelle von Mangan verwendet NCA Aluminium, um die Stabilität zu erhöhen. Allerdings sind NCA-Kathoden vergleichsweise weniger sicher als andere Li-Ionen-Technologien, teurer und werden normalerweise nur in Hochleistungs-EV-Modellen verwendet.

Aufgrund der Verwendung von Eisen und Phosphat anstelle von Nickel und Kobalt sind LFP-Batterien günstiger in der Herstellung als Varianten auf Nickelbasis. Sie bieten jedoch eine geringere spezifische Energie und eignen sich eher für Elektrofahrzeuge mit normaler oder kurzer Reichweite. Darüber hinaus gilt LFP als eine der sichersten Chemikalien und hat eine lange Lebensdauer, was den Einsatz in Energiespeichersystemen ermöglicht.

Obwohl LCO-Batterien eine hohe Energiedichte aufweisen, sind ihre Nachteile eine relativ kurze Lebensdauer, eine geringe thermische Stabilität und eine begrenzte spezifische Leistung. Daher sind diese Akkus eine beliebte Wahl für Anwendungen mit geringer Last wie Smartphones und Laptops, bei denen sie über längere Zeiträume relativ geringe Strommengen liefern können.

LMO-Batterien, auch Mangan-Spinell-Batterien genannt, bieten erhöhte Sicherheit und schnelle Lade- und Entladefunktionen. In Elektrofahrzeugen wird LMO-Kathodenmaterial häufig mit NMC gemischt, wobei der LMO-Anteil beim Beschleunigen einen hohen Strom liefert und NMC größere Reichweiten ermöglicht.

Im Gegensatz zu den anderen oben genannten Chemien, bei denen die Kathodenzusammensetzung den Unterschied ausmacht, verwenden LTO-Batterien eine einzigartige Anodenoberfläche aus Lithium- und Titanoxiden. Diese Batterien weisen bei extremen Temperaturen eine hervorragende Sicherheit und Leistung auf, haben jedoch eine geringe Kapazität und sind relativ teuer, was ihren Einsatz im großen Maßstab einschränkt.

Nachdem wir nun die sechs Haupttypen von Lithium-Ionen-Batterien kennen, welche davon dominieren den Markt für Elektrofahrzeuge und wie wird sich das in Zukunft ändern?

Um es herauszufinden, bleiben Sie dranTeil 2desReihe Batterietechnik, wo wir uns die besten Batteriechemien für Elektrofahrzeuge nach prognostiziertem Marktanteil von 2021 bis 2026 ansehen.

Visualisierung der weltweiten Elektrofahrzeugproduktion im Jahr 2022 nach Marke

Visualisierung der wachsenden Nachfrage nach Nickel und Kupfer

Diagramm: Amerikas Importabhängigkeit kritischer Mineralien

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Wie alt sind die Kernreaktoren der Welt?

Lebenszyklusemissionen: Elektrofahrzeuge vs. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor

Visualisierung der weltweit größten Lithiumproduzenten

Diese Grafik von Wood Mackenzie zeigt, wie sich der Nickel- und Lithiumabbau abhängig von den verwendeten Prozessen erheblich auf die Umwelt auswirken kann.

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Die Produktion von Lithium (Li) und Nickel (Ni), zwei wichtigen Rohstoffen für Batterien, kann zu sehr unterschiedlichen Emissionsprofilen führen.

Diese Grafik von Wood Mackenzie zeigt, wie sich der Nickel- und Lithiumabbau abhängig von den für die Gewinnung verwendeten Verfahren erheblich auf die Umwelt auswirken kann.

Nickel ist ein entscheidendes Metall in der modernen Infrastruktur und Technologie und wird hauptsächlich in Edelstahl und Legierungen verwendet. Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit eignet sich Nickel auch ideal zur Erleichterung des Stromflusses in Batteriezellen.

Heutzutage gibt es zwei Hauptmethoden des Nickelabbaus:

Aus Lateritvorkommen, die überwiegend in tropischen Regionen vorkommen. Dabei handelt es sich um einen Tagebau, bei dem große Mengen Erde und Abraum abgetragen werden müssen, um an das nickelreiche Erz zu gelangen.

Aus Sulfiderzen, wobei Erzvorkommen, die Nickelsulfidmineralien enthalten, unter Tage oder im Tagebau abgebaut werden.

Obwohl Nickellaterite 70 % der weltweiten Nickelreserven ausmachen, produzierten magmatische Sulfidvorkommen in den letzten 60 Jahren 60 % des weltweiten Nickels.

Im Vergleich zur Lateritgewinnung emittiert der Sulfidabbau in der Regel weniger Tonnen CO2 pro Tonne Nickeläquivalent, da er weniger Bodenstörungen mit sich bringt und einen kleineren physischen Fußabdruck hat:

Die Nickelgewinnung aus Lateriten kann erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben, wie z. B. Abholzung, Zerstörung von Lebensräumen und Bodenerosion.

Darüber hinaus enthalten Lateriterze häufig einen hohen Feuchtigkeitsgehalt, sodass energieintensive Trocknungsprozesse erforderlich sind, um sie für die weitere Gewinnung vorzubereiten. Nach der Gewinnung erfordert die Verhüttung von Lateriten einen erheblichen Energieaufwand, der größtenteils aus fossilen Brennstoffen stammt.

Obwohl der Sulfidabbau sauberer ist, bringt er andere Umweltprobleme mit sich. Bei der Gewinnung und Verarbeitung von Sulfiderzen können Schwefelverbindungen und Schwermetalle in die Umwelt freigesetzt werden, was bei unsachgemäßer Handhabung möglicherweise zur Entwässerung von Säureminen und zur Verunreinigung von Wasserquellen führen kann.

Darüber hinaus ist der Abbau von Nickelsulfiden aufgrund ihrer Hartgesteinsbeschaffenheit in der Regel teurer.

Lithium ist der Hauptbestandteil wiederaufladbarer Batterien, die in Telefonen, Hybridautos, Elektrofahrrädern und Speichersystemen im Netzmaßstab zu finden sind.

Heutzutage gibt es zwei Hauptmethoden zur Lithiumgewinnung:

AusSole Dabei wird lithiumreiche Sole aus unterirdischen Grundwasserleitern in Verdunstungsteiche gepumpt, wo Sonnenenergie das Wasser verdampft und den Lithiumgehalt konzentriert. Die konzentrierte Sole wird dann weiterverarbeitet, um Lithiumcarbonat oder -hydroxid zu extrahieren.

Hardrock Bergbau oder Gewinnung von Lithium aus Mineralerzen (hauptsächlich Spodumen), die in Pegmatitvorkommen vorkommen. Australien, der weltweit führende Lithiumproduzent (46,9 %), gewinnt Lithium direkt aus Hartgestein.

Die Solegewinnung wird typischerweise in Ländern mit Salzseen wie Chile, Argentinien und China eingesetzt. Sie gilt im Allgemeinen als kostengünstigere Methode, kann jedoch Auswirkungen auf die Umwelt haben, wie z. B. den Wasserverbrauch, die mögliche Kontamination lokaler Wasserquellen und die Veränderung von Ökosystemen.

Der Prozess emittiert jedoch weniger Tonnen CO2 pro Tonne Lithiumcarbonat-Äquivalent (LCE) als der Bergbau:

Beim Bergbau wird das Erz gebohrt, gesprengt und zerkleinert, gefolgt von der Flotation, um lithiumhaltige Mineralien von anderen Mineralien zu trennen. Diese Art der Gewinnung kann Auswirkungen auf die Umwelt haben, wie z. B. Bodenbeeinträchtigungen, Energieverbrauch und die Entstehung von Abfallgestein und Rückständen.

Um die Nachhaltigkeit der Batterielieferkette sicherzustellen, sind umweltbewusste Praktiken bei der Gewinnung und Verarbeitung von Nickel und Lithium unerlässlich.

Dazu gehört die Umsetzung strenger Umweltvorschriften, die Förderung der Energieeffizienz, die Reduzierung des Wasserverbrauchs und die Erforschung saubererer Technologien. Kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsbemühungen, die sich auf die Verbesserung der Extraktionsmethoden und die Minimierung der Umweltauswirkungen konzentrieren, sind von entscheidender Bedeutung.

Melden Sie sich bei Wood Mackenzies Inside Track an, um mehr über die Auswirkungen einer beschleunigten Energiewende auf Bergbau und Metalle zu erfahren.

Wir untersuchen die CO2-Emissionen von Elektro-, Hybrid- und Verbrennungsfahrzeugen anhand einer Analyse ihrer Lebenszyklusemissionen.

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Nach Angaben der Internationalen Energieagentur ist der Transportsektor stärker auf fossile Brennstoffe angewiesen als jeder andere Wirtschaftszweig. Im Jahr 2021 war es für 37 % aller CO2-Emissionen aus Endverbrauchssektoren verantwortlich.

Um Einblicke in den Beitrag verschiedener Fahrzeugtypen zu diesen Emissionen zu erhalten, visualisiert die obige Grafik die Lebenszyklusemissionen von Fahrzeugen mit Batterie-Elektro-, Hybrid- und Verbrennungsmotor (ICE) anhand des Pathway Report von Polestar und Rivian.

Lebenszyklusemissionen sind die Gesamtmenge an Treibhausgasen, die während der gesamten Existenz eines Produkts, einschließlich seiner Herstellung, Verwendung und Entsorgung, emittiert wird.

Um diese Emissionen effektiv vergleichen zu können, wird eine standardisierte Einheit namens Tonnen CO2-Äquivalent (tCO2e) verwendet, die verschiedene Arten von Treibhausgasen und ihr globales Erwärmungspotenzial berücksichtigt.

Hier finden Sie einen Überblick über die Lebenszyklusemissionen mittelgroßer Elektro-, Hybrid- und Verbrennungsfahrzeuge im Jahr 2021 in jeder Phase ihres Lebenszyklus, basierend auf tCO2e. Diese Zahlen gehen von einer Nutzungsphase von 16 Jahren und einer Laufleistung von 240.000 km aus.

Auch wenn es nicht überraschend ist, dass batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) die niedrigsten Lebenszyklusemissionen der drei Fahrzeugsegmente aufweisen, können wir aus den Daten auch einige andere Erkenntnisse ziehen, die auf den ersten Blick vielleicht nicht so offensichtlich sind.

Auf dem Weg zu einer CO2-neutralen Wirtschaft können batterieelektrische Fahrzeuge eine wichtige Rolle bei der Reduzierung der globalen CO2-Emissionen spielen.

Trotz des Fehlens von Abgasemissionen ist es jedoch gut festzustellen, dass viele Phasen des Lebenszyklus eines BEV immer noch recht emissionsintensiv sind, insbesondere wenn es um die Herstellung und die Stromerzeugung geht.

Die Förderung der Nachhaltigkeit der Batterieproduktion und die Förderung der Einführung sauberer Energiequellen können daher dazu beitragen, die Emissionen von BEVs noch weiter zu senken, was zu einem stärkeren Umweltschutz im Transportsektor führt.

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