15. Oktober 2020, 07:07
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Die Rolle von Nickel bei der Elektrifizierung der Mobilität

Der Absatz von E-Autos wird WisdomTree zufolge bis 2040 von derzeit fünf auf fast 50 Prozent steigen, um künftige Emissionsziele zu erreichen. Umso mehr Bedeutung kommt Nickel zu, das in Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommt. Mit diesem Thema beschäftigt sich eine aktuelle Analyse des US-amerikanischen ETP-Anbieters.

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Wie in unserem Beitrag unter dem Titel “Going green? The unexpected investments helping to reduce vehicle emissions” dargelegt, stammen rund 15 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen aus dem Verkehrssektor. Es ist nicht überraschend, dass dies ein Bereich ist, in dem die politischen Entscheidungsträger daran interessiert sind, die Umweltverschmutzung einzudämmen. Um zukünftige Emissionsziele zu erreichen, werden Elektrofahrzeuge wahrscheinlich einen größeren Teil des Fahrzeugangebots ausmachen. Wir gehen davon aus, dass der Absatz dieser PKW bis zum Jahr 2040 von fast fünf Prozent aller Fahrzeugverkäufe auf fast 50 Prozent steigen wird.

Nickel-Batterien

Elektrofahrzeuge werden mit wieder aufladbaren Batterien (Akkus) betrieben. Dieser Batterietyp bietet eine reversible chemische Reaktion, die sowohl Entlade- als auch Ladevorgänge ermöglicht. Während des Batterieentladevorgangs fließt der elektrische Strom von der Kathode (+) zur Anode (-), während der umgekehrte Vorgang während des Ladevorgangs stattfindet. Blei-Säure-Batterien wurden in herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verwendet und sind relativ kostengünstig. Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) sind eine weitere ausgereifte Batterietechnologie. Diese Batterien haben eine höhere spezifische Energie[1] als Blei-Säure-Batterien. Dadurch weisen Fahrzeuge, die diesen Batterietyp verwenden, ein geringeres Gewicht auf. NiMH-Akkus haben jedoch eine geringere Ladeeffizienz als andere Akkus und Probleme mit der Selbstentladung (bis zu 12,5 Prozent pro Tag unter normalen Raumtemperaturbedingungen). Diese beiden Batterien gelten heute in Bezug auf die Hauptenergiequelle für batterieelektrische Fahrzeuge als veraltet.

Nickel in Batteriekathoden

Die Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ionen-Batterie) ist derzeit die dominante Technologie für Elektrofahrzeuge und wird dies voraussichtlich auch in den nächsten zehn Jahren bleiben. Es gibt viele Varianten von Li-Ionen-Batterien, aber die Hersteller konzentrieren sich auf Varianten mit ausgezeichneter Langlebigkeit. Diese Batterien haben eine noch höhere spezifische Energie als NiMH. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die chemischen Verfahren mit Nickel in der Batterietechnologie am Ende des Weges angelangt ist.

Es gibt vier Hauptkomponenten einer Lithium-Ionen-Batterie: aktive Kathoden- und Anodenmaterialien, Elektrolyte und Separatoren. Innerhalb der Lithium-Ionen-Batterietechnologie existieren auf kommerzieller Ebene verschiedene Kathodenchemien wie Lithiumkobaltoxid (LCO), Lithiummanganoxid (LMO), Lithiumeisenphosphat (LFP), Lithiumnickel-Mangan-Kobalt (oder NMC) und und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (oder NCA). Nickel ist somit eines der wichtigsten kathodenaktiven Materialien, die von Lithium-Ionen-Batterien (in NMC und NCA vorhanden) verwendet werden.

Bis 2018 war die NMC-Kathode bereits das dominierende Kathodenmaterial in den Lithium-Ionen-Batterien, nachdem sie LFP in diesem Jahr überholt hatte. Es wird erwartet, dass NMC weiter wächst und bis 2025 mehr als die Hälfte aller Kathodenlösungen ausmacht und bis 2030 nahezu 90 Prozent beträgt (Abbildung 1).

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Quelle: Avicenne Energy 2019. Lithium-Cobalt-Oxid (LCO), Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid (NCA), Lithium-Mangan-Oxid (LMO) und Lithium-Eisenphosphat (LFP).

 

Auf dem Weg zu einer höheren Nickelgewichtung

Kathoden mit Nickel werden nicht nur immer beliebter, der Nickelgehalt dieser Kathoden steigt auch. Aufgrund der Preisvolatilität und der riskanten Lieferkette von Kobalt waren die Hersteller bestrebt, sich von diesem Metall weg zu diversifizieren und bevorzugten höhere Nickelanteile in den chemischen Verfahren. Der größte Teil des weltweiten Angebots und der nachgewiesenen Kobaltreserven stammt aus der Demokratischen Republik Kongo (Abbildung 2). Das Land ist bekannt für Menschenrechtsverletzungen in Bergwerken, einschließlich des Einsatzes von Kinderarbeit in den vielen mit einfachen, handwerklichen Mitteln betriebenen Bergwerken des Landes. Die Beschaffung von Kobalt, das völlig frei von dieser riskanten Lieferkette ist, ist schwierig. 

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Quelle: US Geological Study, WisdomTree, Daten verfügbar ab Januar 2020
Äußerer Kreis: Reserven. Innerer Kreis: Produktion 2019.

 

Zusätzlich kann eine Erhöhung des Nickelgehalts der Kathoden höhere Energiedichten fördern. Dies kann dazu beitragen, die Reichweite zu verbessern und das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren.

Derzeit erfolgt der  Übergang zu chemischen Verfahren mit höherem Nickelgehalt. Vor einigen Jahren wurde in der NMC-Kathode jedes der drei Atome – Nickel, Mangan, Kobalt – in gleichen Anteilen angewendet, bekannt als NMC-111. Hersteller finden zunehmend einen Weg zu einer Nickelgewichtung von acht Teilen im Vergleich zu einteiligem einteiligem Mangan-Kobalt, bekannt als NMC-811. Wir sind derzeit noch nicht dort, obwohl sechs Teile Nickel, zwei Teile Mangan und­ zwei Teile Kobalt (NMC-622) im Handel erhältlich sind und verwendet werden. Die Internationale Energieagentur schätzt, dass 2019 16% der hergestellten Elektrofahrzeuge NMC-622-Kathoden verwendeten (gegenüber 7% im Jahr 2018).

Abbildung 3 zeigt, wie NMCs mit höherer Nickelbeladung leichter sein können als andere Kathoden. NCAs, die ein ähnliches Gewicht wie NMC-811 haben, werden hauptsächlich von Panasonic hergestellt und in Teslas verwendet. Sie haben auch einen ähnlichen Nickelgehalt wie NMC-811.

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Quelle: Research Interfaces, die Daten aus „Überlegungen zur Lieferkette von Lithium-Ionen-Batterien: Analyse potenzieller Engpässe in kritischen Metallen“ von Fu et al. Li-Lithium, Ni-Nickel, Co-Cobalt, Mn-Mangan, Al-Aluminium.

Herausforderungen bei der Erhöhung des Nickelgehalts

In der NMC-Kathode ist Nickel das Hauptmaterial der Kathode, und Mangan und Kobalt tragen zur chemischen und strukturellen Stabilität bei. Daher ist die Aufrechterhaltung der chemischen und strukturellen Stabilität die zentrale Herausforderung bei der Migration zu höheren chemischen Nickelverfahren. Mehrere Hersteller behaupten, dass sie kurz vor der Vermarktung von NMC 811 stehen, und der Markt geht davon aus, dass diese Lösung um 2025 das Hauptstandbein sein wird.

Der Nickelmarkt mit höherer Reinheit dürfte ein schmales Segment leiben

Wir sehen diese Verschiebungen in den chemischen Batteriekathodenverfahren als positiv für die Nickelnachfrage an. Derzeit machen Batterien weniger als 5 % des Nickelbedarfs aus. Laut Wood Mackenzie dürfte dies jedoch bis zum Jahr 2040 auf fast 30 % des Nickelbedarfs steigen. Dies bedeutet, dass die Entwicklung der Batterienachfrage einen zunehmenden Einfluss auf die Nickelpreise haben wird und sich heute von Edelstahl als Hauptpreistreiber für Nickel abwendet. Der Edelstahlmarkt verwendet sowohl Nickel der Klasse 1 (hochrein) als auch der Klasse 2 (niedrigrein). In der Vergangenheit war nur Klasse 1 für die Chemie von Batterien geeignet. Die Verknappung auf dem Klasse-1-Markt wird aus diesem Grund wahrscheinlich akuter sein. Das Nickel, das dem London Metals Exchange-Futures-Kontrakt zugrunde liegt, ist Klasse 1. In Indonesien gibt es Projekte zur Herstellung einer Nickel-Kobalt-Verbindung unter Verwendung eines Verfahrens, das als Hochdruck-Säureauslaugung (HPAL) bezeichnet wird und für Batterien geeignet ist, bei denen Erz verwendet wird, das zuvor als Erz der Klasse 2 angesehen wurde. Diese Projekte sind jedoch mit großen Kostenüberschreitungen und Verzögerungen konfrontiert, und daher besteht große Unsicherheit über die Verfügbarkeit dieses Materials in der Zukunft.

Foto: Shutterstock

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