Während die Nachfrage nach mobilen Computern und reinen Elektroautos steigt, stellen die Grenzen der derzeitigen Batterietechnologie ein Hindernis dar. Die in den 1790er Jahren von dem italienischen Physiker Alessandro Volta erfundene elektrische Batterie ist das Arbeitspferd zahlreicher Geräte und Maschinen.
Da die Verbrauchergeräte immer kleiner werden und ihre ununterbrochene Nutzung ohne Aufladen immer wichtiger wird, wird es auch immer wichtiger, dass die Batterien sowohl miniaturisiert als auch energieeffizienter werden. Dies hat sich jedoch als eine technologische Hürde erwiesen, die, wenn sie überwunden wird, eine wichtige und gewinnbringende Entwicklung für die High-Tech-Wirtschaft von morgen darstellt.
Batterietechnologie
Alle elektrischen Batterien beruhen auf der grundlegenden chemischen Reaktion der Reduktion und Oxidation (Redox), die zwischen zwei verschiedenen Materialien stattfinden kann. Diese Reaktionen finden in einem geschlossenen und versiegelten Behälter statt. Die Kathode bzw. der positive Pol wird von der Anode bzw. dem negativen Pol reduziert, wo die Oxidation stattfindet. Kathode und Anode sind physisch durch einen Elektrolyten getrennt, durch den die Elektronen leicht von einem Pol zum anderen fließen können. Dieser Elektronenfluss verursacht ein elektrisches Potenzial, das einen elektrischen Strom ermöglicht, wenn ein Stromkreis geschlossen wird.
Einwegbatterien für Verbraucher (bekannt als Primärbatterien), wie die Zellen der Größen AA und AAA, die von Unternehmen wie Energizer (ENR) hergestellt werden, beruhen auf einer Technologie, die modernen Anwendungen nicht zuträglich ist. Zum einen sind sie nicht wiederaufladbar. Diese so genannten Alkaline-Batterien verwenden eine Mangandioxid-Kathode und eine Zink-Anode, die durch einen verdünnten Kaliumdioxid-Elektrolyten getrennt sind. Der Elektrolyt oxidiert das Zink in der Anode, während das Mangandioxid in der Kathode mit den oxidierten Zinkionen reagiert und Strom erzeugt. Nach und nach sammeln sich im Elektrolyt Reaktionsnebenprodukte an, und die Menge an Zink, die noch oxidiert werden kann, nimmt ab. Letztendlich stirbt die Batterie. Diese Batterien liefern in der Regel eine Spannung von 1,5 Volt und können in Reihe geschaltet werden, um diese Spannung zu erhöhen. Zwei AA-Batterien in Serie liefern beispielsweise drei Volt Strom.
Aufladbare Batterien (so genannte Sekundärbatterien) funktionieren auf ähnliche Weise, indem sie eine Reduktions-Oxidationsreaktion zwischen zwei Materialien nutzen, aber sie ermöglichen auch die Umkehrung der Reaktion. Die heute auf dem Markt am häufigsten verwendeten wiederaufladbaren Batterien sind Lithium-Ionen-Batterien (LiOn), obwohl auf der Suche nach einer brauchbaren wiederaufladbaren Batterie auch verschiedene andere Technologien ausprobiert wurden, darunter Nickel-Metallhydrid (NiMH) und Nickel-Cadmium (NiCd).
NiCd waren die ersten kommerziell erhältlichen wiederaufladbaren Batterien für den Massenmarkt, hatten aber das Problem, dass sie nur eine begrenzte Anzahl von Aufladungen zuließen. NiMH-Akkus ersetzten die NiCd-Akkus und konnten häufiger aufgeladen werden. Leider hatten sie eine sehr kurze Haltbarkeit, so dass sie unbrauchbar werden konnten, wenn sie nicht bald nach ihrer Herstellung verwendet wurden. LiOn-Batterien lösten diese Probleme, indem sie in einem kleinen Behälter geliefert wurden, eine lange Haltbarkeit aufwiesen und viele Ladevorgänge ermöglichten. LiOn-Batterien werden jedoch nicht häufig in Unterhaltungselektronik wie mobilen Geräten und Laptops verwendet. Diese Batterien sind viel teurer als Einweg-Alkalibatterien und es gibt sie nicht in den herkömmlichen Größen AA, AAA, C, D usw.
Die letzte Art von wiederaufladbaren Batterien, die den meisten Menschen bekannt ist, sind flüssige Blei-Säure-Batterien, die am häufigsten als Autobatterien verwendet werden. Diese Batterien können viel Strom liefern (z. B. beim Kaltstart eines Autos), enthalten aber gefährliche Stoffe, darunter Blei und Schwefelsäure, die als Elektrolyt verwendet wird. Diese Batterien müssen sorgfältig entsorgt werden, um die Umwelt nicht zu verschmutzen und denjenigen, die mit ihnen umgehen, keine körperlichen Schäden zuzufügen.
Das Ziel der aktuellen Batterietechnologie ist es, eine Batterie zu entwickeln, die die Leistung von LiOn-Batterien erreicht oder verbessert, aber ohne die hohen Kosten, die mit ihrer Herstellung verbunden sind. Innerhalb der Lithium-Ionen-Familie hat man sich darauf konzentriert, zusätzliche Bestandteile hinzuzufügen, um die Leistungsfähigkeit der Batterie zu erhöhen und gleichzeitig den Preis zu senken. So sind beispielsweise Lithium-Kobalt-Anordnungen (LiCoO2) heute in vielen Mobiltelefonen, Laptops, Digitalkameras und tragbaren Produkten zu finden. Lithium-Mangan-Zellen (LiMn2O4) werden am häufigsten für Elektrowerkzeuge, medizinische Instrumente und elektrische Antriebe, z. B. in Elektrofahrzeugen, verwendet.
Zurzeit gibt es Teams, die Forschung und Entwicklung betreiben, um die Leistung von Batterien auf Lithiumbasis zu verbessern. Lithium-Luft-Batterien (Li-Air) sind eine aufregende neue Entwicklung, die eine viel größere Energiespeicherkapazität ermöglichen könnte – bis zu zehnmal mehr Kapazität als eine typische LiOn-Batterie. Diese Batterien würden buchstäblich Luft „atmen“, indem sie freien Sauerstoff zur Oxidation der Anode verwenden. Diese Technologie scheint zwar vielversprechend zu sein, doch gibt es eine Reihe von technischen Problemen, darunter die rasche Entstehung leistungsmindernder Nebenprodukte und das Problem des „plötzlichen Todes“, bei dem die Batterie ohne Vorwarnung ihren Betrieb einstellt.
Lithium-Metall-Batterien sind ebenfalls eine beeindruckende Entwicklung, die eine fast viermal höhere Energieeffizienz als die derzeitige Batterietechnik für Elektroautos verspricht. Dieser Batterietyp ist auch viel billiger in der Herstellung, was die Kosten der Produkte, die sie verwenden, senken wird. Sicherheitsprobleme sind jedoch ein großes Problem, da diese Batterien überhitzen, Feuer verursachen oder bei Beschädigung explodieren können. Andere neue Technologien, an denen gearbeitet wird, sind Lithium-Schwefel- und Silizium-Kohlenstoff-Zellen, die sich jedoch noch im Anfangsstadium der Forschung befinden und noch nicht kommerziell nutzbar sind. Es gibt auch mehrere Entwicklungen im Zusammenhang mit solarbetriebenen Batterien.
Investitionen in die Batterietechnologie
Wenn sich die Batterietechnologie in diese aufregenden neuen Richtungen entwickelt, wird sie die Produktionskosten für Unterhaltungselektronik und für Elektrofahrzeuge wie die von Tesla Motors (TSLA) senken. Tesla hat vor kurzem den Bau einer „Gigafactory“ angekündigt, um nicht nur mehr Fahrzeuge zu produzieren, sondern auch seine eigenen LiOn-Batterien in Zusammenarbeit mit dem japanischen Elektronikriesen Panasonic (ADR:PCRFY) herzustellen. Indem Tesla das Problem der Batterieproduktion selbst in die Hand nimmt, hat das Unternehmen möglicherweise eine großartige Möglichkeit gefunden, in Elektroautos und Batterietechnologie zu investieren.
Der Markt für Batterietechnologie ist etwas kurzsichtig, denn neue Technologien, Entwicklungen und Partnerschaften katapultieren die Branche nach vorne. Visiongain’s „Top 20 Lithium-Ion Battery Manufacturing Companies Report 2018“ bietet einen umfassenden Einblick in den Batterietechnikmarkt und seine Top-Hersteller. Zu den Unternehmen in dem Bericht gehören die folgenden:
- A123 Systems Inc.
- Automotive Energy Supply Corporation (AESC)
- Aviation Industry Corporation of China (AVIC)
- BYD Company Ltd.
- CBAK Energy Technology Inc.
- Comtemporary Amperex Technology Ltd (CATL)
- GS Yuasa Corporation
- Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co, Ltd
- Hitachi Chemical Co., Ltd.
- Johnson Controls International Plc.
- LG Chem
- Microvast Inc.
- Panasonic Corporation
- Saft Batteries
- Samsung SDI Co. Ltd.
- TDK Corporation/Amperes Technology Ltd (ATL)
- Tesla Inc.
- Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co, Ltd.
- Tianneng Power International Ltd
- Toshiba Corporation
Weitere bekannte Namen in der Batterieindustrie sind die folgenden:
- Arotech Corp (ARTX) entwickelt und vertreibt Lithium- und Zink-Luft-Batterien und zählt das US-Militär zu seinen Kunden.
- PolyPore Inc. (PPO) stellt hochspezialisierte Lithium-Polymer-Batterien her, die vor allem in der Industrie und in der Medizin eingesetzt werden.
- Ener1 (OTCMKTS:HEVVQ) ist ein Unternehmen für alternative Energien, das ein mehrheitlich von Delphi Automotive (DLPH) gehaltenes Joint Venture zur Entwicklung von Batterielösungen für Elektrofahrzeuge unterhält.
- Haydale Graphene Industries PLC (LON:HAYD) ist ein britisches Unternehmen, das die Nanotechnologie und das Material Graphen nutzt, um unter anderem Batterien auf Graphenbasis herzustellen.
- Applied Graphene Materials (OTCMKTS:APGMF) forscht ebenfalls an Graphen-basierten Anwendungen.
- EnerSys ist ein reines Batterieunternehmen. Es ist derzeit der größte Hersteller von Industriebatterien weltweit.
Es gibt auch den Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT). Dieser ETF versucht, den Solactive Global Lithium Index abzubilden und bietet ein Engagement in einem diversifizierten Portfolio von börsennotierten Unternehmen, die sich hauptsächlich auf Lithium konzentrieren, einschließlich des Abbaus von Lithium, der Raffinierung von Lithium und der Verwendung von Lithium in der Batterieproduktion. Zu den Top-Holdings im LIT ETF gehörten im Oktober 2018 die folgenden:
- FMC CORP 18.06%
- ALBEMARLE CORP 17.64%
- SAMSUNG SDI CO LTD 7.40%
- ENERSYS 6.91%
- QUIMICA Y MINERA CHIL-SP 6.62%
- LG CHEM LTD 5.41%
- GS YUASA CORP 4.95%
- PANASONIC CORP 4.60%
- TESLA INC 4.37%
- SIMPLO TECHNOLOGY CO LTD 4.24%
The Bottom Line
Batterien für die Stromversorgung waren in der modernen Zeit schon immer wichtig. Mit dem Aufkommen von mobilen Computern und Elektroautos wird ihre Bedeutung jedoch noch weiter zunehmen. Derzeit machen beispielsweise die Akkus mehr als die Hälfte der Kosten eines Tesla-Autos aus.
Aufgrund ihrer wachsenden Bedeutung gewinnt die Erforschung neuerer und besserer wiederaufladbarer Batterien an Dynamik. Lithium-Luft- und Lithium-Metall-Batterien könnten sich als der entscheidende Fortschritt erweisen. Wenn sich diese Technologien am Ende auszahlen, können Investitionen in große Unternehmen, die in der Batterieproduktion tätig sind, in reine Lithium-Ionen-Hersteller oder indirekte Engagements über Lithium-Metall-Produzenten die künftige Performance eines Portfolios unterstützen.