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Inhaltsverzeichnis
Das Wiederaufleben von Lithium-Eisenphosphat-Batterien: Eine Rückkehr wie Phönix
Lithium-Eisenphosphat-Batterie, bezeichnet eine Lithium-Ionen-Batterie, die Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) als Kathodenmaterial verwendet.
Es hat auch einen längeren Namen, nämlich Lithiumeisenphosphat Lithium-Ionen-Akku, die durch den Lade- und Entladevorgang entsteht.
Beim Laden der Lithium-Eisenphosphat-Batterie wandern Lithium-Ionen in der Kathode durch den Polymerseparator zur Graphit-Anode, beim Entladen wandern die Lithium-Ionen von der Anode durch den Separator zurück zur Kathode.
Aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit eignen sich Lithium-Eisenphosphat-Batterien besonders gut für Stromanwendungen und gelten international als ungiftige und schadstofffreie, umweltfreundliche Batterien. Sie erfreuen sich großer Beliebtheit und sind die Spitzenreiter im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien.
Mit der strategischen Weiterentwicklung der Dual-Carbon-Politik haben auch Lithium-Eisenphosphat-Batterien im Energiespeichersektor ein starkes Wachstum erlebt.
Im Jahr 2021 belief sich der weltweite Versand von Energiespeichern Lithiumbatterien betrug 70 GWh, ein Anstieg um 1591 TP3T, wobei über 501 TP3T auf die Lithium-Eisenphosphat-Route entfielen. Im Jahr 2021 betrug die Lieferung von Lithiumbatterien zur Energiespeicherung in China 48 GWh, wobei etwa 98,51 TP3T auf die Lithium-Eisenphosphat-Route entfielen.
1. Geschichte der Lithium-Eisenphosphat-Batterien
Leistung, Sicherheit und Kosten bilden das „unmögliche Dreieck“ der Batterieindustrie. Es ist schwierig, gleichzeitig überlegene Batterieleistung, hohe Sicherheit und niedrige Kosten zu erreichen.
Dieses „Dreiecksverhältnis“ zieht sich durch die Entwicklung der Lithiumbatterien und macht auch den Weg der Lithium-Eisenphosphat-Batterien etwas holprig.
Lithiumbatterien werden hauptsächlich in Lithiumkobaltat (LCO), Lithiummanganat (LMO), Lithiumeisenphosphat (LFP), ternäre Materialien wie Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid (NCM) und Lithium-Nickel-Kobaltaluminat (NCA) unterteilt, basierend auf den unterschiedlichen Kathodenmaterialien.
Unter ihnen sind Lithiumkobaltat- und Lithiummanganat-Batterien jeweils durch Kosten und Leistung eingeschränkt, während ternäre Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Batterien eine Synergie aus Lithiumkobaltat-, Lithiumnickelat- und Lithiummanganat-Materialien aufweisen und auf einer höheren Energiedichte und einer größeren Reichweite beruhen, um sich abzuheben und zum Vertreter der „Leistungsfraktion“ zu werden.
Im Gegensatz dazu weisen Lithium-Eisenphosphat-Batterien eine relativ geringere Energiedichte und eine schlechtere Kältebeständigkeit auf, bieten jedoch die Vorteile niedriger Kosten, hoher Sicherheit und längerer Lebensdauer und sind daher repräsentativ für die „Kosten-Leistungs-Fraktion“.
1.1 Chinas 10-jähriger Fortschritt bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien
Seit 2009 verfolgt das Land eine Subventionspolitik, um die Entwicklung der gesamten Branche zu fördern, und die Lieferung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien und ternären Batterien hat deutlich zugenommen.
Ab 2016, als die Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in China eine strategische Phase erreichte, stiegen die Anforderungen an die Energiedichte des Batteriesystems in den Förderkriterien für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben kontinuierlich an. Hohe Energiedichte und große Reichweite standen dabei im Fokus der Förderung. Dies führte dazu, dass der Markt sich für ternäre Batterien mit grundsätzlich besserer Leistung entschied.
Bis Juni 2019 hatte der Anteil der ternären Batterieinstallationen in China über 701 TP3T der Gesamtinstallationen erreicht und nahm damit einen absoluten Vorsprung ein, während Lithium-Eisenphosphat-Batterien nur einen Anteil von 271 TP3T hatten.
Die guten Zeiten für ternäre Batterien währten jedoch nicht lange. Bis August 2022 erreichte der Anteil der installierten Lithium-Eisenphosphat-Batterien in China 621 TP3T der Gesamtinstallationen, während der Anteil der ternären Batterien auf 381 TP3T sank.
1.2 Lithium-Eisenphosphat-Batterien Marktanalyse
- Rückgang politischer Subventionen: Nach 2019 wurden die lokalen Subventionen im Pkw-Sektor gestrichen, was zu einem Gesamtrückgang von etwa 601–671 TP3T führte, und es ist geplant, diese Subventionen bis Ende 2022 vollständig einzustellen.
- Leistungsoptimierung auf der Angebotsseite: Durch die Optimierung der Konstruktionsschemata und Systemstrukturen großer Batteriezellen konnte die Energiedichte von Lithium-Eisenphosphat-Batterien effektiv gesteigert werden. Mit Lithium-Eisenphosphat-Batterien ausgestattete Fahrzeuge mit neuer Antriebstechnologie erreichen eine Reichweite von über 500 km und decken damit im Wesentlichen die Anforderungen des städtischen Pendelverkehrs und des Kurzstreckenverkehrs ab.
- Nachfrageseitiger Fokus auf Sicherheit: Wenn die Reichweite gewährleistet ist, verlagert sich der Fokus der Kunden allmählich von extremer Leistungsverbesserung auf höhere Sicherheit, und der marginale Vorteil von ternären Batterien gegenüber Lithium-Eisenphosphat-Batterien wird stark geschwächt.
Derzeit ist im Energiebereich der Wettbewerb zwischen ternären Batterien und Lithium-Eisenphosphat-Batterien klar: Ternäre Batterien haben im Markt für leistungsstarke, weitreichende High-End-Autos ein Wörtchen mitzureden, während Lithium-Eisenphosphat-Batterien im Markt für Autos der mittleren bis unteren Preisklasse Fuß gefasst haben und mit der Optimierung der Systemstruktur weiter nach oben vordringen.
2. Kommerzieller Einsatz von Lithium-Eisenphosphat-Batterien
Das Schachbrett von Lithium-Eisenphosphat-Batterien reicht von mineralischen Rohstoffen über Separatoren und Elektrolyte bis hin zur Batterieherstellung, alles miteinander verbunden.
Den größten Anteil der Rohstoffe in Lithium-Eisenphosphat-Batterien machen in Bezug auf die Produktionskosten Kathodenmaterialien (26%) aus, gefolgt von Anodenmaterialien (14%), Separatoren (11%), Elektrolyten (10%) und schließlich Kupferfolie (6%).
Betrachtet man jedoch die Investitionsintensität pro GW, so ist die Investitionsintensität bei Kathodenmaterialien und Kupferfolie mit 90 bzw. 55 Millionen am höchsten. Dies deutet darauf hin, dass es sich bei diesen beiden Verbindungen um anlagenintensive Geschäftsbereiche handelt und eine Kapazitätserweiterung erhebliche Kapitalinvestitionen erfordert.
Bei den Herstellern von Lithium-Eisenphosphat-Kathodenmaterialien handelt es sich überwiegend um große Chemieunternehmen mit Vorkommen an Lithiumminen, Phosphatminen usw. Die Branchenkonzentration ist hoch, hat in den letzten Jahren jedoch einen Abwärtstrend gezeigt. Die Hürden in der Kupferfolienindustrie liegen hauptsächlich in der Formulierung von Additivfolien und der Fehlersuche bei der Ausrüstung, und die aktuelle Branchenstruktur ist relativ verstreut.
Im Vergleich dazu sind Separatoren, Elektrolyte und Anodenmaterialien bessere Verbindungen mit geringerer Investitionsintensität, besserer Branchenkonzentration und stärkerer Preissetzungsmacht.
Kathodenmaterialien sind die entscheidenden Faktoren für die chemische Leistungsfähigkeit von Lithiumbatterien, wie beispielsweise Energiedichte und Sicherheit.
Bei den Herstellungskosten für Lithiumeisenphosphat-Kathodenmaterialien beträgt der Anteil der Lithiumquellen 59,41 TP3T, während die kombinierten Eisen- und Phosphorquellen fast 701 TP3T der Rohstoffkosten ausmachen. Der Fokus der zukünftigen Kostensenkung liegt auf der Reduzierung von Rohstoffverlusten und der Suche nach kostengünstigen alternativen Mineralquellen.
Der Herstellungsprozess von Lithiumeisenphosphat umfasst hauptsächlich Festphasen- und Flüssigphasenverfahren. Das Festphasenverfahren ist einfach und für die Produktion im großen Maßstab geeignet, während das Flüssigphasenverfahren Lithiumeisenphosphatprodukte mit besserer Konsistenz und Zyklenbeständigkeit erzeugt, wie sie von DFNano repräsentiert werden.
Die Marktstruktur für Lithium-Eisenphosphat-Kathodenmaterialien ist stabil und weist eine starke Konkurrenzsituation auf. Die beiden Giganten Hunan Yueneng und DFNano halten mit einem CR2 von 45,211 TP3T im Jahr 2021 fast die Hälfte des Marktanteils.
Betrachtet man die gesamte Kathodenmaterialindustrie, so hat die schnell wachsende Nachfrage nach Lithium-Eisenphosphat-Batterien auch dazu geführt, dass Lithium-Eisenphosphat-Kathodenmaterialien sich zum Mainstream des Marktes entwickelt haben.
Den Daten zufolge erreichte die Gesamtproduktion inländischer Kathodenmaterialien im ersten Halbjahr 2022 720.200 Tonnen, was einem Anstieg von 54,61 Tonnen pro Tonne gegenüber dem Vorjahr entspricht. Darunter betrug die kumulierte Produktion von Lithiumeisenphosphatmaterialien 384.700 Tonnen, was einem Anstieg von 119,11 Tonnen pro Tonne gegenüber dem Vorjahr entspricht, was 531 Tonnen pro Tonne entspricht. Die kumulierte Produktion ternärer Kathodenmaterialien betrug 263.800 Tonnen, was einem Anstieg von 45,91 Tonnen pro Tonne gegenüber dem Vorjahr entspricht, was 371 Tonnen pro Tonne entspricht.
Gleichzeitig erreichten die Versandmengen von Lithiumeisenphosphat und ternären Kathodenmaterialien in China im ersten Halbjahr 2022 411.000 Tonnen bzw. 280.000 Tonnen, was einem Anstieg von 1.361 Tonnen bzw. 481 Tonnen gegenüber dem Vorjahr entspricht. Durch die Verdoppelung der Versandmengen belegten Hunan Yueneng und DFNano 2021 die ersten beiden Plätze in der gesamten Kathodenmaterialindustrie.
Wie heißt es so schön: „Eine steigende Flut hebt alle Boote.“ Der enge Zusammenhang zwischen den steigenden Preisen und Mengen der vorgelagerten Rohstoffe und der Midstream-Batterieproduktion sowie der Entwicklung nachgelagerter Endanwendungen ist offensichtlich. Nachdem Lithium-Eisenphosphat-Batterien den Spieß im Bereich der Leistungsbatterien umgedreht haben, haben sie eine neue Welt entdeckt.
3. Eröffnung einer neuen Welt der Lithium-Eisenphosphat-Batterien
Vor dem Hintergrund der CO2-Neutralität und des 5G-Ausbaus vergrößert sich die Nachfragelücke im Bereich der Energiespeicherung. Lithium-Energiespeicher sind derzeit die am schnellsten wachsende Technologie im Bereich der neuen Energiespeicherung in China.
Bei Energiespeicherbatterien sind Wirtschaftlichkeits- und Sicherheitsaspekte wichtige Faktoren.
Wind- und Solarenergiesysteme sind mit hohen Kosten und Umweltschwankungen verbunden und erfordern Energiespeicherbatterien mit langer Nutzungsdauer, stabiler Leistung, hoher Umweltanpassungsfähigkeit und niedrigen Kosten.
3.1 Eigenschaften von Lithium-Eisenphosphat-Batterien
Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben eine längere Lebensdauer als Blei-Säure- und Dreifachbatterien, mit über 2.000 Zyklen und der 3- bis 4-fachen Kapazität von Blei-Säure-Batterien.
Darüber hinaus behalten Lithium-Eisenphosphat-Batterien aufgrund ihrer Olivinstruktur auch bei hohen Temperaturen ihre stabile Struktur und bieten so höchste Sicherheit und Stabilität. Sie verfügen über einen breiten Betriebstemperaturbereich.
Darüber hinaus haben Lithium-Eisenphosphat-Batterien keinen Memory-Effekt, können bei Bedarf aufgeladen werden und müssen vor dem Laden nicht vollständig entladen werden. Sie sind frei von giftigen Schwermetallen, umweltfreundlich und verursachen geringere Rohstoff- und Wartungskosten.
Im Bauwesen zeichnen sich Lithium-Energiespeicher durch eine flexible Kapazitätskonfiguration, weniger Standortbeschränkungen und kürzere Bauzeiten aus, sodass sie schnelle Regulierungsdienste für Stromsysteme ermöglichen.
Statistiken zeigen, dass in den ersten drei Quartalen des Jahres 2022 die neu installierte Kapazität von Energiespeicherprojekten in China 963,7 GW erreichte, was einem Anstieg von 1201 TP3T gegenüber dem Vorjahr entspricht, wobei die Speicherung von Lithium-Eisenphosphat den größten Anteil ausmachte.
Insidern zufolge herrscht derzeit ein Versorgungsengpass bei den Vormaterialien für Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen. Das tägliche Produktionsvolumen von Energiespeichersystemen übersteigt 10 GWh, wobei täglich mehr als 13.000 Batteriezellen benötigt werden.
Nach der Montage und Prüfung werden die meisten neuen Lithium-Eisenphosphat-Energiespeicher als unterstützende Speichereinrichtungen an Wind- und Solarkraftwerke geliefert und verbessern so die Effizienz und Stabilität der Kraftwerke.
In einer Mitteilung bestätigte das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie im August 2020 die führende Rolle von Lithium-Eisenphosphat-Batterien bei Energiespeicheranwendungen in 5G-Basisstationen. Auch in vielen inländischen Energiespeicherprojekten kommen Lithium-Eisenphosphat-Batterien zum Einsatz.
Im Jahr 2021 wurden in China 650.000 neue 5G-Basisstationen errichtet. Bei einem Stromverbrauch von 3.500 W pro Basisstation und einer erforderlichen Notstromdauer von 4 Stunden benötigt jede Station 14 kWh Notstrom. Der Markt für Energiespeicherung in 5G-Basisstationen könnte 2021 einen Bedarf von 9,1 GWh an Lithium-Eisenphosphat-Batterien decken.
3.2 Chinas Bedarf an Energiespeicherung
Der inländische Bedarf an Energiespeichern konzentriert sich hauptsächlich auf Strom- und Kommunikationsspeicher, während der ausländische Bedarf auf Haushaltsspeicher zurückzuführen ist. Gründe hierfür sind:
- Hohe Energiepreise: In den europäischen Ländern sind die Energiepreise gestiegen und hohe Strompreise für Privatkunden mit politischen Subventionen stimulieren die Entwicklung des lokalen Marktes für Haushaltsspeicher.
- Hohe Beteiligung an Outdoor-Aktivitäten: Die USA verfügen über den größten Nachfragemarkt für Outdoor-Aktivitäten. In den Bereichen Camping, Caravaning, Computer, Beleuchtung und Fotografie steigt der Bedarf an tragbaren Energiespeichergeräten für den Haushalt.
- Notfall- und Katastrophenvorsorge: Tragbare Energiespeicherprodukte erfreuen sich in Japan großer Beliebtheit und wurden 2020 von der Japan Disaster Prevention Association als Sicherheitsausrüstung für den Katastrophenschutz zertifiziert. Sie ersetzen schrittweise herkömmliche Kraftstoffmotoren.
3.2 Energiespeicherbedarf im Ausland
Der Boom auf dem Energiespeichermarkt im Ausland bietet Chancen für inländische Lithiumbatterieunternehmen.
Zolldaten zeigen, dass Chinas kumulierte Lithium-Ionen-Batterieexporte in den ersten neun Monaten des Jahres $34,911 Milliarden erreichten, was einem Anstieg von 83,3% gegenüber dem Vorjahr entspricht und den Gesamtexportwert von Lithium-Batterien für 2021 übertraf.
Der ausländische Markt für Energiespeicherung hat sich zum größten Umsatzbringer für inländische Unternehmen im Bereich der Stromspeicherbatterien entwickelt. Erstklassige inländische Unternehmen im Bereich der Stromspeicherbatterien, vertreten durch CATL und BYD, haben sich bei ausländischen Systemintegratoren und -eigentümern einen Namen gemacht.
Energiespeicherung als eigenständiges Spiel wird immer größer, und
Lithium-Eisenphosphat-Batterien könnten der Schlüssel zum Umdenken sein.
4. Fazit
Interne Kräfte, externe Richtlinien und Makroziele bestimmen, ob ein Material oder eine Technologie den Weg vom Labor auf den Markt finden und letztendlich erfolgreich sein kann.
Von Leistungsbatterien bis hin zur Energiespeicherung haben Lithium-Eisenphosphat-Batterien dank ihrer hervorragenden Eigenschaften, ausgereiften Industrieketten und ihres enormen Marktpotenzials alle Hürden der Kommerzialisierung erfolgreich gemeistert und sind zur treibenden Kraft in der Lithiumbatteriebranche geworden.
Allerdings sind Lithium-Eisenphosphat-Batterien nicht perfekt und ihre Leistungseinschränkungen führen dazu, dass der Markt kontinuierlich nach neuen, verbesserten Materialien wie Lithium-Mangan-Eisenphosphat sucht und diese erforscht.
Die Technologie entwickelt sich stetig weiter, und der Markt verändert sich ständig. Die starke Entwicklungsdynamik in den Bereichen Strom und Energiespeicherung wird Lithium-Eisenphosphat-Batterien eine breitere Verbreitung verschaffen.
