Was enthalten die Batterien von Elektrofahrzeugen?

Modernste Batterien spielen eine zunehmend wichtige Rolle im Übergang zu nachhaltiger Mobilität. Batteriegetriebene Elektrofahrzeuge (EVs) verwandeln unsere Fortbewegung. Doch nur wenige Nutzer verstehen die zugrunde liegende Technologie vollständig – oder die bemerkenswerte Materialcharakterisierung, die alles möglich macht.

Die verschiedenen Arten von EV-Batterien

Die häufigsten Lithium-Ionen-Batteriechemien, die in heutigen EVs verwendet werden, sind Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) und Lithium-Eisenphosphat (LFP). Während die NMC-Chemie die höchste Energiedichte bietet (Reichweite pro Ladung), ist sie mit hohen Kosten und Umweltbedenken aufgrund der Verwendung von Kobalt verbunden. LFP ist günstiger und sicherer, hat jedoch eine geringere Energiedichte. In der Forschung und Entwicklung zielen viele Chemien auf eine höhere Energiedichte zu niedrigeren Kosten und die Beseitigung der Verwendung toxischer und kostspieliger Elemente. Lithium-Schwefel-, Na-/K-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien (mit festem Elektrolyten) sind einige der aufkommenden Alternativen zu den derzeit verwendeten Chemien.

Was steckt in einer Lithium-Ionen-Batterie?

EV-Li-Ionen-Batterien enthalten Kathode (NMC oder LFP), Anode (Graphit oder Silizium), Separator (PVDF-Polymer) und Elektrolyt. Kathode und Anode sind auf Al- und Cu-Stromkollektoren beschichtet. So sind im Fall von NMC-Batterien die Hauptmetalle Lithium, Mangan, Kobalt, Nickel, Graphit, Aluminium und Kupfer. Als Beispiel verwendet der Tesla Model 3 (75 kW-Hr-Batterie) 12 kg Li, 50 kg Ni, 4,5 kg Co, 4 kg Mn (= 105 kg NCM811), 70 kg Graphit, 20 kg Al-Folie und 25 kg Cu-Folie. Zusätzlich hat jede Zelle ein Stahlgehäuse und das gesamte Batteriepaket auch ein Aluminium- und Stahlgehäuse.

Nachhaltige Lösungen für EV-Batteriekomponenten

Die Herstellung von Li-Ionen-Batterien steht vor Herausforderungen bei der Materialversorgung, da Li-, Ni- und Co-Reserven begrenzt sind. Zudem gibt es Umweltbedenken beim Abbau dieser Mineralien. Nachhaltigkeit in der Batteriefertigung kann mit einem Dreipunktansatz erreicht werden – Abfallmanagement in der Produktion, Batterie-Recycling und neue Chemien, die kleinere Mengen an reichlicher vorhandenen Mineralien nutzen. Produktionsabfall in der Batterieherstellung kann je nach Prozessoptimierung zwischen 5% und 20% liegen. Lösungen auf Basis von Industrie 4.0 können diesen Anteil auf unter 5% senken. Batterie-Recycling vermeidet nicht nur, dass toxische Batteriematerialien auf Deponien landen, sondern fungiert auch als alternative Materialversorgungskette zum Abbau. Schließlich werden die neuen Chemien nicht nur toxische und teure Materialien wie Co eliminieren, sondern auch eine höhere Reichweite mit der gleichen Materialmenge bieten, wenn sie perfektioniert und kommerzialisiert werden.

Weltführende Analyse für bessere Batterietechnologie

Ob es darum geht, die Produktion heutiger Batterien zu optimieren oder neue Batteriechemien zu entwickeln, ohne robuste und zuverlässige Analysetools, die tiefere Einblicke in die Materialien und Prozesse bieten, kann nichts erreicht werden. Hier hilft Malvern Panalytical der Batterieindustrie mit hochmodernen Analyse-Lösungen;

Aeris und die Empyrean-Produktreihe von Röntgendiffraktometern sind leistungsstarke, vielseitige, benutzerfreundliche Werkzeuge, die Einblicke in Materialeigenschaften auf atomarer Ebene bieten. Ob es sich um die kristalline Perfektion von Anoden-/Kathodenmaterialien, Defekte wie Kationenmischung oder den Grad der Graphitisierung oder das Wachstum einkristalliner Partikel handelt, unsere XRD-Systeme können in nur wenigen Minuten genaue Ergebnisse liefern. Auf diese Weise können EV-Batteriedesigner Faktoren wie Leistungsbeschleunigung, Reichweite und Skalierbarkeit optimieren.

Elementeanalyse mit unserem Zetium und der Epsilon-Produktreihe von XRF kann schnell und präzise die Elementzusammensetzung synthetisierter Vorläufer- und Elektrodenmaterialien bestimmen. Auch kann es Ihr Schlüsselwerkzeug zur Bestimmung der Elementkonzentration in hydrometallurgischen Lösungen während des Batterierecyclings sein.

Partikelgröße und -form spielen eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Leistung von Batterieelektrodenmaterialien. Unsere Mastersizer und die Morphologi-Reihe von Lösungen können als QC- und F&E-Werkzeuge für die automatisierte Messung von Partikelgröße und -form mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit verwendet werden.

Schließlich haben wir zur Unterstützung von Industrie 4.0 In-Line/At-Line/Online-Prozesssteuerungslösungen für die Partikelgrößenbestimmung (Insitec-Produktreihe), die Elementzusammensetzung von flüssigem Vorläufer (Epsilon Xflow) und die Elementzusammensetzung von Elektrodenbeschichtungen (Epsilon Xline) sowie die Laborautomatisierung all unserer Analyse-Lösungen.

Die Zukunft der EV-Batterieindustrie gestalten

Mit unseren Technologien und Instrumenten und in Partnerschaft mit Forschern und Industriepartnern weltweit revolutioniert Malvern Panalytical die Prozesse zur Batterienentwicklung – und treibt die Innovationen voran, die gebraucht werden, um den Übergang zur nachhaltigen Mobilität voranzutreiben!

Erfahren Sie mehr über die Instrumente, die eine grünere Mobilitätszukunft ermöglichen, auf , wo wir über die Materialien sprechen, die Lösungen für aktuelle Herausforderungen vorantreiben.

Weiterführende Lektüre:

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• Brennstoffzellen: Willkommen in der Wasserstoffzukunft … erneut
• Trends, die das Jahrzehnt der Batterie prägen
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