Niob: Die Chemikalie, mit der Sie Ihr Elektroauto in wenigen Minuten aufladen können

In einem Industriegebiet südlich der historischen Universitätsstadt Cambridge suchen Forscher des Unternehmens Echion Technologies nach der idealen Formel zum Schnellladen von Fahrzeugbatterien.

Angesichts der Tatsache, dass viele Regierungen das Endziel haben, die CO2-Emissionen netto auf null zu reduzieren, wäre eine solche Erfindung sehr zeitgemäß.

Elektroautos verfügen bereits über Langstreckentauglichkeit – eine Reichweite von 322 Kilometern ist keine Seltenheit –, viele benötigen jedoch stundenlanges Anschließen, um eine vollständige Ladung zu erreichen.

Wenn dies in weniger als einer Stunde möglich wäre, würden Fahrten über Land einfacher und damit ein Elektrofahrzeug für Verbraucher attraktiver.

Schnelleres Laden kann auch die Produktivität von Elektrobussen oder Lieferwagen verbessern, da mehr Zeit auf der Straße und weniger Zeit am Stromnetz verbleibt.

Schnell aufladbare Batterien können auch die Nutzung elektrischer Züge erleichtern, ohne dass teure Elektrifizierungsinfrastruktur wie Oberleitungsausrüstung installiert werden muss.

Echion-Hauptsitz in Sawston bei Cambridge im Südosten Englands. Foto: Daniel Bardsley / The National

Die Arbeit am Hauptsitz von Echion Technologies im Südosten Englands konzentriert sich auf ein chemisches Element, von dem viele Menschen noch nie gehört haben: Niob.

Trotz seiner geringen Bekanntheit steht Niob seit den 1980er Jahren als potenzielles Material für Anoden von Lithium-Ionen-Batterien im Fokus – dem Material in einer Lithium-Ionen-Batterie, das Lithiumionen aufnimmt.

Zahlreiche Firmen auf der ganzen Welt untersuchen seinen Einsatz, sodass dieses Metall, das manchmal in Edelstahl vorkommt, eine wichtige Rolle beim Übergang zum Elektrotransport spielen könnte.

„Die zuvor geleistete Arbeit war ein Ausgangspunkt. Es wurde nicht als kommerzielles Material optimiert“, sagt Benjamin Ting, Chief Commercial Officer von Echion Technologies

„Das Hauptaugenmerk von Echion lag darauf, das optimale Material für den Einsatz als Batterieanode für den Einsatz in Massenmärkten zu finden.“

Wie viele Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind diese Bemühungen äußerst mühsam: In den letzten Jahren hat Echion Technologies fast 1.000 Kandidatenmaterialien für Anoden auf Niobbasis geprüft und „einen sehr geringen Anteil“ ausgewählt.

Forschungs- und Entwicklungsmitarbeiter, die insgesamt etwa zwei Drittel der über 30 Mitarbeiter des Unternehmens ausmachen, stellen Pulver her, die Mischungen chemischer Substanzen in unterschiedlichen Anteilen enthalten und in einem Ofen synthetisiert werden.

Das Pulver wird dann in Tinten eingemischt und darauf getestet, wie gut sie die Folie beschichten und so zu Elektroden werden lassen.

Die resultierenden Elektroden werden in Dutzenden kleiner münzähnlicher Batterien getestet, die äußerlich jeweils Batterien ähneln, die beispielsweise in Fernsehfernbedienungen oder Bankkartenlesegeräten zu finden sind.

„Unsere Ergebnisse auf Münzebene haben eine Reihe großer Zellhersteller dazu veranlasst, mit der Entwicklung kommerzieller Formate unter Verwendung unseres Materials zu beginnen“, sagte Herr Ting.

Die Optimierung der Batterieleistung erfordert das Jonglieren mehrerer Variablen. Dazu zählen vor allem die Laderate, die Energiedichte, die Leistungsdichte, die Betriebstemperatur, die Anzahl der Lade- und Entladezyklen einer Batterie sowie ihre Sicherheit und Nachhaltigkeit.

Der Optimierung der Ladegeschwindigkeit und der Energiedichte kommt eine besondere Bedeutung zu, da schneller ladende Akkus häufig eine geringere Energiedichte aufweisen.

„Wenn man versucht, eines zu optimieren, wird man bei anderen oft einen Kompromiss feststellen“, sagte Herr Ting, ein australischer Diplom-Ingenieur. „Wir sagen, wir bieten die beste Balance.“

Etwas zu schaffen, das als Massenprodukt brauchbar ist, ist ein „großer Schritt“, angefangen bei der Suche nach einem Material, das im Labor gut funktioniert. Das Unternehmen ist jedoch im Stillen zuversichtlich, ein Anodenmaterial entwickelt zu haben, das auf dem Markt Anklang finden könnte.

„Wir sagen nicht, dass wir Game Changer sind, aber wir glauben gerne, dass wir für eine Reihe großer Branchen einen Unterschied machen werden“, sagt Herr Ting. „Wir sind pragmatisch, was denjenigen, die sich für ein neues Batteriematerial entscheiden möchten, Zuversicht gibt, da es sich dabei um eine langfristige Investition und Verpflichtung handelt.“

Das Unternehmen gibt an, dass sein XNO-Material unter anderem eine lange Lebensdauer, einen sicheren Betrieb und die Fähigkeit bietet, bei verschiedenen Temperaturen zu arbeiten.

Es soll auch bei Temperaturen von –30 °C 70 Prozent seiner Energieleistung behalten und auch bei hohen Temperaturen widerstandsfähig sein, was besonders in Regionen wie dem Nahen Osten nützlich sein könnte.

Große Hersteller produzieren mittlerweile Zellen aus dem Material von Echion Technologies und die Produktion wird „auf den Tausend-Tonnen-Maßstab“ ausgeweitet.

Prof. Poul Norby von der Abteilung für Energieumwandlung und -speicherung an der Technischen Universität Dänemark sagt, dass es bei der Schnellladetechnologie bereits „große Fortschritte“ gegeben habe, die er als wichtig bezeichnet, „um die Fahrzeuge wirklich umzustellen.“ elektrisch".

„Wenn man nur ein paar Jahre zurückblickt, haben die Autos vielleicht mit 50 oder 100 Kilowatt [kW] geladen. Heute ist es üblicher, mit 150 kW zu laden“, sagt er.

Letztendlich kann es zahlreiche Arten niobhaltiger Anodenmaterialien geben, die kommerziell von Bedeutung sind. An Interesse bei den Batterieherstellern mangelt es sicherlich nicht.

Tatsächlich liegt nur ein paar Meilen nördlich von Cambridge ein weiteres Unternehmen, Nyobolt, das ebenfalls an Schnellladetechnologien mit Niob arbeitet.

Darüber hinaus gaben der Elektronikriese Toshiba und zwei Partner letztes Jahr bekannt, dass sie an der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit Niob-Titanoxid als Anodenmaterial arbeiten, während sich auch Firmen in China, Israel und insbesondere den USA auf Niob konzentrieren .

Viele andere Unternehmen entwickeln Schnellladebatterien, die auf verschiedenen chemischen Elementen basieren.

Während das Niob-basierte Anodenmaterial von Echion Technologies seinen Weg in Autobatterien finden könnte, ist laut Angaben des Unternehmens sein Einsatz in Batterien für Lieferwagen, Busse, Züge oder sogar Bergbaufahrzeuge wahrscheinlicher.

„Ein Pkw-Elektrofahrzeug ist vielleicht nicht die beste Wahl, aber ein Lieferwagen, ein UPS-Transporter mit mehreren Fahrern und kurzen Pausen – diese Fahrzeuge sind in Sicht“, sagt Herr Ting.

„Schnellladen wird für Busse wichtig sein, denn es ist nicht ideal, wenn Busse sechs Stunden am Tag herumstehen. Man möchte sie nutzen können.“

Prof. Norby sagt, dass die Verbesserung der Ladegeschwindigkeiten für Busse und andere große Fahrzeuge den Einsatz kleinerer Batterien ermöglichen könnte, die am Ende einer Busroute schnell aufgeladen werden könnten, was möglicherweise Geld und Gewicht spart.

Dies kann die Installation zusätzlicher Ladestationen erfordern, als beim Nachtladen von Bussen in Zentraldepots erforderlich sind. Daher hängt die ideale Lösung von der Abwägung von „Vor- und Nachteilen“ ab.

Herr Ting sagt, dass durch die Verkleinerung der Batteriegröße die Menge des benötigten Batteriematerials sinkt, was die Umweltauswirkungen der Produktion verringert, was die zahlreichen potenziellen Vorteile der Schnellladetechnologie hervorhebt.

„Wir sind sehr zuversichtlich, dass es Segmente geben wird, die das Schnellladen zum Verkaufsargument machen“, sagt er.