Preisgekrönte Vorprodukte für Elektroauto-Batterien

Batterien mit LFP (Lithiumeisenphosphat)-Kathoden sind weltweit auf dem Vormarsch. Dazu trägt auch das Wachstum der Elektromobilität bei. Aktuelle Marktstudien sehen den Anteil von Elektrofahrzeugen mit LFP-Kathoden im Jahr 2030 in Europa und USA zwischen 20 und 30 Prozent. 

Das globale Wachstum der LFP-Akkus hat aber mehrere Gründe. Im Vergleich zur Lithium-Ionen-Technologie mit Kathoden auf Basis von Nickel, Mangan und Cobalt (NMC) oder von Nickel, Cobalt und Aluminium (NCA) sind LFP-Akkus in puncto Rohstoffe und Herstellung deutlich kostengünstiger. 

Für ihre Zellen müssen keine teuren und seltenen Schwermetalle abgebaut werden. Das wirkt sich spürbar auf die Fahrzeugkosten aus. Warum? Der Anteil des Kathodenmaterials macht über 60 Prozent der hohen Zellkosten aus.  

Der Vorteil der LFP-Batterietechnologie:

• eine hohe Anzahl an Ladezyklen,
• eine lange Lebensdauer und 
• die Akkus sind thermisch stabiler und sicherer.

Raus aus der Abhängigkeit

LFP-Kathodenmaterialien und entsprechende Akkus werden derzeit fast ausschließlich in China produziert und von dort in alle Welt exportiert. Das bedeutet

• lange Transportwege, 
• anfällige Lieferketten, 
• geopolitische Risiken und 
• eine Abhängigkeit in puncto Wirtschaftlichkeit, Qualität und Nachhaltigkeit. 

Vor allem westliche OEMs (Original Equipment Manufacturer) favorisieren daher den Aufbau regionaler Wertschöpfungsketten bei LFP-Batterien. Sie soll zu mehr Unabhängigkeit führen und die europäischen und amerikanischen Märkte sicher mit nachhaltigen Materialien regionalen Ursprungs versorgen. 

Unterschied klassische Herstellung vs. LANXESS

Chinesische Hersteller gehen in der LFP-Synthese von Eisensulfat aus, das mit Phosphorsäure zu Eisenphosphat und dieses mit Lithiumcarbonat zu LFP umgesetzt wird. 

Nachteil ist, dass Abwässer mit hohen Salzfrachten u. a. aus Ammonium- und Natriumsulfat entstehen, die nur unter extrem hohem Aufwand und mit einem signifikanten Energiebedarf abgetrennt werden können. Außerdem setzt der Prozess große Mengen an Eisensulfat voraus. In China fällt Eisensulfat als Abfallprodukt der Weißpigmentproduktion an und ist außerhalb dieser Region nicht in ausreichendem Maße vorhanden.

Wir konzentrieren uns mit unserem Produktangebot für westliche Märkte daher auf zwei umweltschonendere Verfahrensalternativen, bei denen regional verfügbare Rohstoffe stärker zum Einsatz kommen. 

Eines davon hat sich bereits im kleineren Maßstab etabliert: Im Rahmen dieses Prozesses werden Eisenoxid, Phosphor- und Lithiumverbindungen zum LFP umgesetzt.

Das andere Verfahren setzt wie der chinesische Prozess Eisenphosphat mit Lithiumverbindungen zu LFP um, gewinnt aber das Eisenphosphat direkt aus Eisen und Phosphorsäure. Beide Verfahren will LANXESS mit Rohstoffen versorgen.

Maßgeschneiderte Eisenoxide

Unser Geschäftsbereich Inorganic Pigments (IPG) bietet daher seit Kurzem maßgeschneiderte Produkte an, die speziell für den LFP-Verfahrensweg über Eisenoxide entwickelt wurden. 
IPG ist mit einer Produktionskapazität von über 300.000 t/a einer der global führenden Hersteller von Eisenoxiden und einziger westlicher Großhersteller. Wussten Sie, dass rund 70 Prozent des außerhalb Chinas hergestellten Produktionsvolumens aus den Produktionsstätten von LANXESS kommen?

LANXESS hat derzeit zwei Eisenoxid-Battery-Grades unter dem Markennamen Bayoxide^® im Angebot. Und unser Eisenoxid ist hinsichtlich Reinheit, Oberflächeneigenschaften, Kristallinität und Partikelgröße so produziert, dass es für die Kathodenmaterialien optimale elektrochemische Eigenschaften ermöglicht. 

Partnerschaftliche Kooperationen

Wir kooperieren in der Entwicklung technischer Eisenoxide für LFP-Anwendungen auch mit anderen westlichen Partnern der Wertschöpfungskette von LFP-Batterien. 

Ein Beispiel ist hier die Zusammenarbeit mit dem Unternehmen IBU-tec advanced materials. Gemeinsam wollen wir innovative Eisenoxide zur Herstellung des Kathodenmaterials für LFP-Batterien entwickeln und damit diesen Batterietyp leistungsfähiger als bisher machen. 

So sollen etwa die elektrochemischen Eigenschaften des LFP weiter verbessert werden, um die Energiedichten und Ladegeschwindigkeiten der Batterien zu erhöhen und mehr Ladezyklen zu ermöglichen.

Großtechnischer Einstieg in die Eisenphosphat-Herstellung

Und auch mit Blick auf die zweite LFP-Verfahrensroute über Eisenphosphat plant der Geschäftsbereich sich als Lieferant zu etablieren. Bislang gibt es in Europa kaum ausreichende Kapazitäten für Eisenphosphat, die zur LFP-Herstellung genutzt werden können. Hier möchten wir ansetzen. Daher prüfen wir aktuell den Aufbau eigener Produktionskapazitäten.

Die Pläne sehen vor, dabei auf bewährte Anlagen in Krefeld-Uerdingen zurückzugreifen. Damit könnte LANXESS in Europa zum einzigen und weltweit zu einem der wenigen großen Produzenten werden. 

Eine Machbarkeitsstudie hat bestätigt, dass die Technologie großtechnisch reif und eine wirtschaftliche und nachhaltige Alternative zu dem Herstellprozess ist, der von Eisensulfat ausgeht. So entstehen weder klimaschädliche Emissionen von Stick- und Schwefeloxiden noch Abwässer mit hohen Salzfrachten. 

Im Labormaßstab wurden bereits Versuchsprodukte mit guten Eigenschaften synthetisiert. Derzeit läuft das sogenannte Up-Scaling im Technikumsmaßstab, um u. a. die Rohstoffe und die Produktausbeute zu optimieren und die Verfahrensparameter für die Massenproduktion festzulegen. 

Die Produktoptimierung erfolgt teils in Zusammenarbeit mit externen Partnern. Angestrebt wird, in die Großproduktion einzusteigen, wenn Hersteller in Europa sowie Nord- und Südamerika die Massenfertigung von LFP-Batterien starten. 

Auf allen Ebenen – Recycling für die Kreislaufwirtschaft

Um Ressourcen und das Klima zu schonen setzen wir sowohl bei Rohstoffen für LFP-Kathoden als auch bei ausgedienten LFP-Batterien auf Stoffkreisläufe. So wird etwa bei der Herstellung der Eisenoxide und des Eisenphosphats für die LFP-Produktion Eisenschrott verwendet. 

Außerdem befassen wir uns schon jetzt mit Recyclingkonzepten, die die Verwertung großer Mengen an alten LFP-Batterien untersuchen. Hierzu besteht ein Projekt mit Partnern, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert wird und auf das Recycling von LFP-Kathodenmaterialien zielt. 

Entwickelt werden chemische Prozesse, mit denen sich aus der sogenannten schwarzen Masse (black mass), die beim Batterierecycling durch Schreddern anfällt, u. a. Lithium, Eisen und Phosphor zurückgewinnen lassen. Hier erweist sich die Rückwärtsintegration von LANXESS bei Phosphor- und Eisenchemikalien als besondere Stärke. Denn die Rezyklate können in bestehende Produktionsprozesse eingeschleust werden. 

Nachhaltige Lieferketten – transparent und messbar

In der Herstellung von Batteriezellen ist zudem die grundsätzliche ökologische Verträglichkeit ein zentrales Kriterium. Der Einsatz regional verfügbarer Rohstoffe mit einem verbesserten CO₂-Fußabdruck kann hier Vorteile bieten:

• bedingt durch den Einsatz nachhaltigerer Herstellungsmethoden nach westlichen Industriestandards, 
• einem nachhaltigeren Strommix und 
• kürzeren Transportwegen. 

LANXESS bietet unter diesen Gesichtspunkten mit seinen Eisen-basierten Rohstoffen für LFP nachhaltige Lösungen. Und LANXESS setzt bei der Umweltbilanz seiner Produkte auf Transparenz und bietet TÜV-zertifizierte Lebenszyklusanalysen (LCA) an. Sie geben detailliert Auskunft etwa zum jeweiligen CO₂-Fußabdruck und bilden eine verlässliche Grundlage für den Vergleich von Produkten verschiedener Rohstofflieferanten.