Renault / Ampère - Batterien: Künftige Zellchemien

adauris · Sonntag, 17:28

Renault / Ampère stellte kürzlich zwei Episoden online, in denen es um die künftigen Entwicklungen der in der Marke verwendeten Zellchemien geht.

Diese sind schön anzusehen, zum einen, weil es einen allgemeinen Überblick gibt, zum anderen aber auch, weil hier wieder ein Stück die Unternehmensstrategie dargestellt wird.

In naher Zukunft versucht Renault die Lithium-Eisenphosphat-Chemie / LFP (bekannt für geringere Energiedichte, bei höherem Gewicht und mäßigem Kälteverhalten) in der Energiedichte nennenswert zu verbessern, vorallem auch durch die Integration der Zellen im Akku-Pack (Cell-to-Pack) oder in die Karosserie (Cell-to-Chassis).

Weiter unten im Beitrag versuche ich einen Bezug zu den bisherigen Erkenntnissen und Aussagen aus Forschung und Entwicklung (u.a. Helmholtz Institut Ulm) zu knüpfen, um einen Vergleichsrahmen zu schaffen.

Es ist nicht immer ganz einfach, zwischen rein zellbezogenen Daten und jenen auf das Gesamt-Batteriepack zu unterscheiden - wir probieren es dennoch.

Aber auch die Zellen selbst sollen verbessert werden:

- LFP:

> 2021 Renault eWays: "Im Vgl. zu NMC: LFP 30% schwerer, 20% niedrigerer Energiedichte, geringerer Leistungsfähigkeit unter kalten Bedingungen, bei 10% Kostenvorteil."

> Strategieänderung, durch Rohstoffpreise (Mangan & Nickel) motiviert zur Adaption auf LFP

> Umsetzung ab 2026 - LFP soll 85% der Kundenanforderung zufriedenstellen

> Steigerung der Energiedichte bei LFP-Chemie um fast 40 % beobachtet - von 300 Wh/l auf 415 Wh/l, was ca. 150km mehr Reichweite bedeutete

> Ladeleistung konnte gesteigert werden - Halbierung der Ladezeit auf 70 % der Batteriekapazität – "240km Reichweite können in 15 Minuten geladen werden"

> Ausnutzungsgrad des Akku-Gehäuses kann mit LFP bei 70-75% liegen.

> Zulieferer sind LG Energy Solutions (Polen) und CATL (Ungarn)

- NMC / LNMO:

> Langfristig / Zeitrahmen >10 Jahre - Verdopplung der Energiedichte, bei Reduktion der Kosten auf LFP Niveau

> Umstieg von NMC-Kathode & Graphit-Anode auf LNMO-Kathode & Silizium Anode

> LNMO bietet die gleiche Speicherdichte, bei höherer Zellspannung

> Silizium Anode bietet höhere Ladeleistung (Faktor 4 wird genannt / ohne negativen Einfluss auf Alterung)

> Materialverfügbarkeit und Kostenstabilität werden bei Silizium verbessert (Graphit-Material kommst meist aus China)

> Mit LNMO+Silizium-Anode werden 700Wh/l angestrebt (+40% im Vgl. zu ca. 500Wh/l bei NMC)

- Bedeutung für den R5:

> Von anfänglichen 52kWh, können mit LNMO & Silizium-Anode ca. 70kWh erreicht werden

> Die WLTP-Reichweite könnte von 400km auf 550km steigen

> Eine 20-80% Ladezeit von 30min auf 10-15min sinken

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Zitat von Transkript (in DEU) Teil 1:

Die Mission von Ampère ist es, das Elektroauto für alle zugänglich zu machen. Man muss wissen, dass ein Elektroauto heute noch teuer ist – die Hälfte der Kosten eines Elektroautos entfällt auf die Batterie, und zwei Drittel der Batteriekosten entfallen auf die Chemie. Daher ist es zwingend notwendig, die Kosten der chemischen Zusammensetzung zu senken, um Elektromobilität für alle in Europa zugänglich zu machen. Genau das tun wir derzeit mit der Chemie-Roadmap, die wir aufgesetzt haben.
Ziel dieser Chemie-Roadmap ist es, die Kosten zu senken und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Batterie inhaltlich zu verbessern.
Kurzfristig besteht das Ziel dieser Chemie-Roadmap darin, die LFP-Chemie (Lithium-Eisenphosphat) einzuführen. Mittelfristig ist unser Ziel, die Energiedichte der NMC-Chemie (Nickel-Mangan-Kobalt) zu erreichen – allerdings zu den Kosten von LFP und mit den hohen Sicherheitstoleranzen von LFP. Die hohe „Abuse-Toleranz“ von LFP bedeutet, dass die Batterie robust gegenüber Erschütterungen ist und keine thermischen Durchgehensreaktionen (thermal runaway) zeigt.
Langfristig, mit einem Zeithorizont von mehr als zehn Jahren, ist unser Ziel, die Energiedichte von NMC zu verdoppeln – wiederum zu den Kosten von LFP und mit den Sicherheitstoleranzen von LFP.
Heute wollen wir uns auf den kurzfristigen Aspekt und die LFP-Chemie konzentrieren. Die Reichweite war lange Zeit ein Hindernis für die Entwicklung des Marktes, und unsere Priorität war es, dazu beizutragen, dieses Hindernis zu überwinden. Aus diesem Grund haben wir uns ursprünglich für die NMC-Chemie entschieden, die eine maximale Energiedichte – und damit Reichweite – ermöglicht.
Allerdings hat sich der Markt für Rohstoffe ständig verändert: Nickel und Kobalt, beides seltene Metalle, sind teuer geworden und hatten einen erheblichen Einfluss auf den Preis von NMC-Batterien.
Die deutliche Verringerung der Leistungsdifferenz zu den NMC-Batterien hat uns davon überzeugt, auf LFP-Chemie umzusteigen. Diese Chemie erlaubt es Ampère, Elektrofahrzeuge anzubieten, die ab 2026 die Bedürfnisse von über 85 % unserer Kundschaft erfüllen können.
In den letzten Jahren haben wir bei der LFP-Chemie eine Steigerung der Energiedichte um fast 40 % beobachtet – von 300 Wh/l auf 415 Wh/l. Das bedeutet eine erhöhte Reichweite von 150 km für die Fahrzeuge.
Die Ladezeit für 70 % der Batteriekapazität wurde halbiert – eine Reichweite von 240 km ist nun in nur 15 Minuten Ladezeit möglich.
Die Entwicklung neuer Integrationsansätze für Zellen, wie z. B. „Cell-to-Pack“ oder „Cell-to-Chassis“, sowie die ausgezeichnete Sicherheitstoleranz der LFP-Chemie ermöglichen es uns, den verfügbaren Energieplatz im Fahrzeug effizienter zu nutzen. Heute erreichen wir mit der LFP-Chemie eine Ausnutzung von 70 bis 75 %. Je höher dieser Ausnutzungsgrad, desto niedriger sind die Batteriekosten.
Um all diese Lösungen zu entwickeln, arbeitet Ampère mit LG Energy Solution und CATL zusammen, die die LFP-Batterien für verschiedene Modelle der Renault- und Alpine-Baureihen liefern werden – und damit den Bedarf an dieser Technologie bis 2030 abdecken.

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Zitat von Transkript (in DEU) Teil 2:

In dieser Episode werden wir ein zentrales Ziel der Chemie-Roadmap für den mittelfristigen Zeitraum – also mit einem Horizont von über fünf Jahren – ansprechen: Unser Ziel ist es, eine Batterietechnologie zu validieren, die uns gleichzeitig alles bietet, was wir an der NMC-Chemie schätzen – also hohe Energiedichte und Reichweite – und alles, was wir an der LFP-Chemie schätzen – nämlich niedrige Kosten und hohe Sicherheitstoleranzen.
Diese neue Chemie besteht aus einer Kathode aus LNMO (Lithium-Nickel-Mangan-Oxid) in Kombination mit einer Anode aus Silizium.
Die LNMO-Kathode hat das Potenzial, uns dieselbe Energiedichte zu liefern wie die NMC-Kathode (Nickel-Mangan-Kobalt). Dies ist ihrer Fähigkeit zu verdanken, Energie bei deutlich höherer Spannung als NMC zu speichern.
Zudem hat LNMO eine kristalline Struktur, die jener von LFP sehr ähnlich ist – was wichtig ist, um die gleiche hohe Sicherheitstoleranz („Abuse-Tolerance“) wie bei LFP zu erreichen. Diese hohe Toleranz bedeutet, dass die Batterie stoßfest ist und kein thermisches Durchgehen (thermal runaway) zeigt.
Die Silizium-Anode, welche die heute in den meisten unserer Batterien verwendete Graphit-Anode ersetzen wird, erlaubt es uns, die Energiemenge pro Masse- und Volumeneinheit um den Faktor 10 zu erhöhen. Darüber hinaus kann die Silizium-Anode viermal schneller geladen werden als Graphit, ohne die Lebensdauer der Batterie negativ zu beeinflussen.
Silizium ist das zweithäufigste Element auf der Erde – direkt nach Sauerstoff – was zur Reduzierung von Preisschwankungen beiträgt.
Fazit: Durch die Kombination einer LNMO-Kathode mit einer Silizium-Anode erhalten wir eine Batterie mit einer Energiedichte von rund 700 Wh pro Liter, also einer sehr hohen Reichweite. Diese Batterie wird sich in weniger als 10 Minuten aufladen lassen, die Kosten einer LFP-Batterie haben und die hohe Sicherheitstoleranz von LFP beibehalten.

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