Wie wissenschaftliche und technologische Entwicklungen Silizium hervorbringen könnten

Jun 20, 2023

Sila Nanotechnologies ist ein Entwickler von Batteriematerialien, dessen bahnbrechende Technologie mit dem Namen „Titan Silicon“ eine Anode aus Nanokomposit-Silizium (NCS) ist.

Die Materialien des Unternehmens treiben die Leistungssteigerung von Batterien in Geräten der Unterhaltungselektronik voran und sollen Elektrofahrzeuge (EVs) antreiben, beginnend mit der Mercedes-Benz G-Klasse-Serie.

In einem Interview mit Fastmarkets ging Yushin auf die Entwicklungen ein, die das NCS des Unternehmens für siliziumdominierte Anoden nutzbar gemacht haben, und auf die Vorteile des Materials für Hersteller von Elektrofahrzeugen und Batterien.

Yushin glaubt, dass die Technologie dazu beitragen könnte, die Versorgungsengpässe und die geografische Ungleichheit bei der Produktion eines weiteren wichtigen Batterierohstoffs (BRM) – Graphit – zu lindern.

Anders als der Großteil des weltweiten Graphits wird Silas NCS in den USA hergestellt, was bedeutet, dass es im Einklang mit dem erneuerten westlichen Impuls steht, die Lieferketten für mehr Rohstoffe zu sichern – insbesondere solche, die für die Energiewende von entscheidender Bedeutung sind.

Während Silizium und seine Verbindungen bisher in begrenzten Mengen in Anoden verwendet wurden, ermöglichen neuere Entwicklungen die Verwendung des Materials in höheren Konzentrationen in Anoden – wodurch insbesondere Herausforderungen im Zusammenhang mit der Batterieverschlechterung überwunden werden können.

Durch die höhere Kapazität im Vergleich zu herkömmlich verwendetem Graphit seien NCS-basierte Elektroden dünner, was die Diffusionsstrecke der Lithium-Ionen verringere und zu Kostenvorteilen beitrage, erklärte Yushin.

Die Technologie biete außerdem eine höhere Energiedichte (Titan-Silizium steigert die Energiedichte um bis zu 40 %) und ein schnelleres Laden im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) auf Graphitbasis, sagte er.

Yushin hat errechnet, dass die Kosten für LIBs mit Graphitanode am Limit bei rund 100 US-Dollar/kWh auf Paketebene bleiben werden.

Silas NCS-Anoden und -Kathoden der nächsten Generation, sagte Yushin, „werden dazu beitragen, die LIB-Paketkosten auf 50 US-Dollar/kWh zu senken, was sie zu einer geeigneten Technologie macht, um den boomenden Elektrofahrzeugmarkt anzutreiben.“

Das Zellkostenmodellierungsteam von Fastmarkets schätzt, dass die Anode typischerweise 10–15 % der Gesamtkosten einer typischen Nickel-Kobalt-Mangan-Zelle (NCM) ausmacht, während die Kathode 50–60 % ausmacht.

„Während Verbesserungen an der Anode wichtig für Schnellladung, Lebensdauer und allgemeine Leistung sind, sind es Fortschritte auf der Kathodenseite (sowie die Senkung der Preise für Kathodenrohstoffe), die die Gesamtkosten der Zelle wirklich senken werden. Auch die Verbesserung der Herstellungsprozesse und die Minimierung des Abfalls in Gigafabriken werden eine große Rolle spielen“, sagte Muthu Krishna, Zellkostenmodellierer bei Fastmarkets.

„Die Energiedichte der Zelle hängt sowohl von der Anode als auch von der Kathode ab, vor allem von ihren Kapazitäten und ihrem elektrochemischen Potenzial“, sagte Yushin.

„Das NCS mit ultrahoher Kapazität wird in Kombination mit Kathoden der nächsten Generation eine Verdoppelung der Energiedichte ermöglichen … Das bedeutet, dass 50 % weniger Zellen benötigt würden, damit das LIB-Paket ungefähr die gleiche Energie liefern würde“, sagte er.

Laut Yushin wären Größe und Preis eines LIB-Pakets ebenfalls etwa 50 % kleiner.

„Beachten Sie, dass dieselben Kathoden der nächsten Generation in Verbindung mit Graphitanoden keine wesentlichen Leistungsverbesserungen bieten können“, sagte er.

Diese Entwicklungen haben zu einer erheblichen Veränderung in der Wahrnehmung siliziumbasierter Anoden geführt.

„Vor einem Jahrzehnt glaubten die meisten Menschen in der Branche aufgrund der wissenschaftlichen und technologischen Schwierigkeiten bei der Bewältigung zahlreicher technischer Herausforderungen nicht, dass Siliziumanoden bald Realität werden könnten“, sagte Yushin.

„Die Hauptfrage, die wir jetzt hören, ist, wie schnell wir die Titan-Siliziumproduktion steigern können, um den TWh-Bedarf zu decken“, fügte er hinzu.

In den letzten Jahren haben einige führende Batterieunternehmen damit begonnen, kleine Mengen von in Japan oder China hergestelltem Siliziumoxidmaterial in Graphitanoden einzubauen, um die LIB-Energiedichte oder -rate leicht zu verbessern und gleichzeitig eine übermäßige Verschlechterung zu vermeiden.

Die Idee siliziumdominierter Anoden käme jedoch nicht in Frage, sagte Yushin.

„Jetzt kann Titansilizium in mehr als [50 Gewichtsprozent] verwendet werden oder Graphit in den Anoden vollständig ersetzen“, sagte er.

Der Lebenszyklus von Sila NCS-Anoden-Automobilzellen ähnelt dem von Automobilzellen auf Graphitbasis oder Automobilzellen, die Graphit enthalten oder mit geringen Mengen Siliziumoxid dotiert sind, sagte er.

Sila ist nicht das einzige Unternehmen, das vielversprechende Materialien auf Siliziumbasis für Anoden sieht.

Im Jahr 2020 kündigte der Elektrofahrzeughersteller Tesla an, in seinen Batterieanoden größere Mengen Silizium anstelle des vorherrschenden Graphits zu verwenden.

Insbesondere gab das Unternehmen damals bekannt, dass es für die Herstellung seiner Anoden Siliziummetall anstelle der teureren Siliziummaterialien verwenden würde.

Damals minimierten die Teilnehmer sowohl am Siliciummetall- als auch am Graphitmarkt die Auswirkungen, die dies auf die jeweiligen Märkte haben könnte.

Die relativ verteilte weltweite Produktion von Silizium trägt dazu bei, dass es eine attraktive Alternative zu anderen Anodenmaterialien darstellt. Fastmarkets schätzt, dass die nordamerikanische Siliziummetallproduktion zwischen den USA und Kanada etwa 200.000 Tonnen pro Jahr beträgt.

Trotz der insgesamt positiven Stimmung identifizierte Yushin eine besonders gewaltige drohende Herausforderung für die Aufnahme von Silizium und BRMs im Allgemeinen – die Versorgung.

„Bei den neuen Herausforderungen geht es vor allem um die Versorgung – insbesondere um die Versorgung aus geografisch unterschiedlichen Regionen“, sagte er.

Ein Großteil des weltweiten Siliziums wird in China produziert, obwohl dieser Großteil von weitaus geringerer Bedeutung ist als für die Produktion anderer kritischer BRMs, einschließlich Graphit und Kobalt, die China auch weltweit überwiegend raffiniert.

Westliche Unternehmen versuchen, diese Produktionslücke zu schließen. In einem Interview mit Fastmarkets Anfang des Jahres teilte Sinova Global mit, dass das Unternehmen Silizium in Nordamerika produzieren werde, um die zusätzliche Nachfrage nach Silizium, auch für Batterieanoden, zu decken.

Yushin verwies auf gesetzgeberische Maßnahmen, einschließlich des Inflation Reduction Act (IRA), die zeigen, dass die USA und der Westen „aufwachen“ und sich darüber im Klaren sind, dass ein „massiver Prozentsatz“ der Vorläufer aller Ausgangsmaterialien für Batterien ihren Weg in die Welt findet der Westen aus China.

„Wenn man sich die Batterietechnologie als den Weg zum Ersatz fossiler Brennstoffe sowie von Öl und Gas vorstellt, wollen wir uns nicht in eine Abhängigkeit von ausländischen Nationen begeben, wenn es um die kritische Versorgung mit unseren Energieressourcen geht“, sagte er.

Yushin begrüßte zwar die von der IRA eingeführten wirtschaftlichen Anreize zur Produktion von Vorläufern, Rohstoffen und schließlich Elektrodenmaterialien für LIBs im Inland und in Freihandelsländern, wies jedoch auf anhaltende Hindernisse bei der Kapitalbeschaffung und dem Regulierungsprozess zur Errichtung neuer Fabriken und Minen hin.

„Obwohl die USA über viele Bodenschätze verfügen, gibt es immer noch regulatorische Hürden, beispielsweise bei der Errichtung neuer Minen“, sagte er.

„Aus wirtschaftlicher Sicht müssen wir möglicherweise auch den Zugang zu großem Kapital und niedrigen Zinssätzen in Betracht ziehen, um strategisch wichtige Investitionen sowohl in Rohstoffe als auch in die Batteriematerialverarbeitung anzuregen, da China diese bereits den chinesischen Batterieindustrien anbietet“, fügte er hinzu.

„Wir müssen noch an einen Punkt gelangen, an dem es einfacher ist, Kapital zu sichern und diese Fabriken und Minen zu bauen, denn sonst wird sich die Lieferkette wirklich nicht ändern“, sagte er.

In früheren Berichten von Fastmarkets wurde festgestellt, dass weiterhin Unklarheiten hinsichtlich der Eignung von Materialien für die finanziellen Anreize der IRA bestehen, insbesondere hinsichtlich der Herkunft der Materialien.

Laut Abigail Wulf, Vizepräsidentin und Direktorin des Securing America's Future Energy (SAFE) Center for Critical Minerals Strategy, hat ein Mangel an Klarheit IRA-bezogene Investitionen verlangsamt.

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