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Jun 01, 2023

Höhere Energie und geringere Kosten durch Innovationen bei Batteriezellen und Verpackungsmaterialien für Elektrofahrzeuge, ein Ausblick von IDTechEx

Höhere Energie und geringere Kosten durch EV-Batteriezelle und Packungsmaterial

Höhere Energie und niedrigere Kosten durch Innovationen bei Batteriezellen und Packungsmaterialien für Elektrofahrzeuge, ein IDTechEx-Ausblick.

Elektrofahrzeuge (EVs) erzeugen Materialanforderungen, die sich stark von denen unterscheiden, die historisch typisch für die Märkte für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor waren. Angesichts der anhaltenden Unterbrechung der Lieferkette und der sich schnell weiterentwickelnden Batterietechnologie werden die Materialien, die in den kommenden Jahren nachgefragt werden, erheblich variieren.

IDTechEx hat gerade einen neuen Bericht mit dem Titel „Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2023-2033“ veröffentlicht, der sich eingehend mit Batteriechemie, Energiedichte und Designentwicklung befasst, um die Marktnachfrage von 2021 bis 2033 für 27 zu ermitteln unterschiedliche Materialien in Märkten wie Elektroautos, Bussen, Lastkraftwagen, Transportern, Zweirädern, Dreirädern und Kleinstwagen.

Trotz der Tendenzen zu höherer Energiedichte und geringerem Materialverbrauch pro Fahrzeug wird die Nachfrage nach Batteriematerialien für Elektrofahrzeuge dank des schnell wachsenden Marktes für Elektrofahrzeuge um mehr als das Zwölffache steigen, wobei der Marktwert zwischen 2033 und 2021 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 26 % aufweisen wird.

Batteriezellenmaterialien

Die Batteriechemie entwickelt sich weiter. Das ultimative Ziel war immer eine höhere Energiedichte, aber auch andere Faktoren wie Zellkosten und die Vielfalt der Lieferketten haben zu einer Nachfrage nach alternativen Chemikalien außerhalb des typischen NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) geführt.

NMC-Chemikalien bieten die höchste Energiedichte. Um diese weiter zu verbessern und den Einsatz von Kobalt zu vermeiden, sind wir auf Varianten mit höherem Nickelgehalt wie NMC 811 gegenüber dem vorherigen NMC 111/523 umgestiegen. Kobalt ist ein kostspieligeres Material und verfügt über ein geografisch sehr begrenztes Angebot mit fragwürdigen Abbaupraktiken; Der Trend zu höheren Nickelanteilen mildert diese Bedenken, wenngleich auch die Nachfrage nach Nickel steigt.

Batterien, die LFP-Chemikalien (Lithiumeisenphosphat) verwenden, sind 2018 und 2019 aufgrund ihrer geringeren Energiedichte als NMC fast vom Markt für Elektrofahrzeuge verschwunden. Der Bedarf an einer größeren Vielfalt an Zellenangeboten und der Möglichkeit zur Kostensenkung hat jedoch zu einem enormen Anstieg der LFP-Einführung geführt, insbesondere in den unteren bis mittleren Marktsegmenten.

Der durch die Verwendung von LFP verursachte Einbruch der Energiedichte wurde durch Verbesserungen der Packungseffizienz etwas ausgeglichen. Die stärkere Einführung von LFP verringert einen Teil der Nachfrage nach Materialien wie Nickel und Kobalt.

Neben der Kathodenchemie gab es auch eine Weiterentwicklung bei der Anode. Einige haben geringe Anteile Silizium in die Anode eingebaut, um die Energiedichte zu verbessern, was zu einer Verringerung der Graphitintensität in der Zelle führte. Für die Zukunft besteht die Erwartung, dass die Einführung wesentlich höherer Siliziumgehalte zunimmt und siliziumdominierte Anoden zunehmend an Interesse gewinnen.

Es gibt mehrere andere Materialien, die für den Betrieb einer Batteriezelle von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. Kollektorfolien, Bindemittel und mehr. Trotz steigender Energiedichte prognostiziert IDTechEx einen 9,4-fachen Anstieg der jährlichen Nachfrage nach Materialien, die in Batteriezellen verwendet werden.

Materialien für Akkupacks

Die Erhöhung der Energiedichte von Batteriezellen ist wichtig, aber auch die Konstruktion des Akkus als Ganzes ist eine gute Möglichkeit, die Energiedichte der Batterie zu verbessern. Der Markt hat die Menge der zur Verpackung der Zellen verwendeten Materialien schrittweise reduziert und das Verhältnis von Gewicht und Volumen der Packung, das auf die Zellen entfällt, erhöht.

Der entscheidende Schritt in dieser Hinsicht ist die Einführung von Cell-to-Pack-Designs, bei denen der modulare Charakter aufgehoben wird und stattdessen alle Zellen direkt zusammengepackt werden. Trotz der dadurch verursachten Materialreduzierung bedeutet das schnelle Wachstum des Elektrofahrzeugmarkts, dass viele der in einem Batteriepaket verwendeten Materialien eine erhöhte Nachfrage erfahren werden.

Das Wärmemanagement ist entscheidend, um die Zellen auf einer optimalen Betriebstemperatur zu halten und erfordert Komponenten wie Kühlplatten und Kühlmittelschläuche. Zur Unterstützung der Wärmeübertragung zwischen den Zellen und der Kühlstruktur sind thermische Schnittstellenmaterialien erforderlich.

Um zu verhindern, dass sich thermisches Durchgehen zwischen den Zellen und außerhalb des Batteriepakets ausbreitet, sind passive Brandschutzmaterialien erforderlich. Die Art und Weise, wie diese Wärmemanagementmaterialien und -komponenten integriert werden, wird immer einfacher, insbesondere durch die Einführung von Cell-to-Pack-Designs, sie werden jedoch weiterhin kritische Betriebskomponenten mit erhöhter Nachfrage bleiben.

Eine wichtige Möglichkeit zur Gewichtseinsparung ist der Einsatz von Verbundwerkstoffen und Polymeren anstelle von herkömmlichem Aluminium und Stahl. Ein Großteil der Batteriestruktur besteht aus Aluminium, aber viele haben Gehäusedeckel aus Verbundwerkstoff eingesetzt, um das Gewicht zu reduzieren und komplexere Formen zu schaffen.

Es gibt einen Trend zu Batteriegehäusen aus mehreren Materialien, um die Vorteile der verfügbaren Materialien zu kombinieren. Ein wichtiger Gesichtspunkt bei Verbund- oder Polymergehäusen ist die EMI-Abschirmung und der Brandschutz. Dies kann später hinzugefügt oder in das Material selbst integriert werden.

Der neueste Bericht von IDTechEx, „Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2023-2033“, prognostiziert Materialien, die in Zellen und Packs verwendet werden, darunter Aluminium, Stahl, Kupfer, Aluminium, Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan, Elektrolyt, Eisen, Phosphor und Bindemittel , Gehäuse, Ruß, Silizium, Separatoren, Kohlenstoffnanoröhren, kohlenstofffaserverstärktes Polymer, glasfaserverstärktes Polymer, thermische Schnittstellenmaterialien, Brandschutzmaterialien, elektrische Isolierung, Kühlplatten und Kühlmittelschläuche.

Weitere Informationen, einschließlich herunterladbarer Beispielseiten, finden Sie unter www.IDTechEx.com/EVBattMat.

Kommendes kostenloses Webinar

EV-Batteriematerialien: Die Zukunft der Zellchemie und Packungsstruktur

Dr. James Edmondson, Principal Technology Analyst bei IDTechEx und Autor dieses Artikels, wird am Donnerstag, den 8. Juni 2023, ein kostenloses Webinar zum Thema EV-Batteriematerialien: Die Zukunft der Zellchemie und Packungsstruktur halten.

In diesem Webinar werden folgende Themen behandelt:

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