Lithium-Silizium-Batterien im globalen Maßstab

Die Elektrifizierung von allem

Die Einführung einer neuen Batterietechnologie, die dazu beiträgt, die Elektrifizierung aller Anwendungen voranzutreiben, stößt auf unterschiedliche Sichtweisen einschließlich einiger falscher Annahmen. In einem bereits vorliegenden Whitepaper haben wir untersucht, warum der Übergang von Lithium-Ionen-Batterien zu Silizium-Batterien so wichtig ist. Mit dieser Darstellung möchten wir Stakeholdern, Investoren und Kunden helfen, die Bedeutung einer globalen Produktionsskala besser zu verstehen. Gleichzeitig erklärt das Whitepaper, wie Group14 die mengenmäßige Skalierung dieser fortschrittlichen Anodentechnologie für Siliziumbatterien ermöglicht, ohne astronomische Investitionen für die Produktion nach sich zu ziehen.

Eine Erinnerung daran, warum wir auf Siliziumbatterien umsteigen sollten

Zu Beginn ein kurzer Überblick darüber, warum wir von Lithium-Ionen-Batterien mit Graphitanoden zu Siliziumbatterien mit Anoden auf Siliziumbasis übergehen müssen. Wir haben bereits erörtert, wie die Herausforderungen der Siliziumchemie die weit verbreitete Einführung von siliziumbasierten Batterietechnologien bislang verhindert haben. Zur Erinnerung: Bis vor kurzem bestand die Hürde für eine breite Einführung der Siliziumanodenchemie darin, dass Lithiumatome innerhalb von Siliziumatomen eine dreifache Ausdehnung des Siliziums verursachen können, wenn es mit Lithium in Kontakt kommt, was zu offensichtlichen Problemen der Stabilität und der mechanischen Belastung der Batterien führt. Sind diese Probleme jedoch gelöst, haben siliziumbasierte Chemikalien das Potenzial, die Energiespeicherung grundlegend zu verändern. Bei Group14 haben wir das Problem des Aufquellens gelöst, indem wir ein Nanokohlenstoffgerüst einsetzen, das als Wirtsstruktur für Silizium dient und somit die Lithiierungs- und Delithiierungsprozesse stabilisiert: Daraus ist unser Produkt SCC55™ entstanden. Unsere Innovation führt zu einer erheblich verbesserten Energiedichte und einer höheren Zykluseffizienz von Lithiumbatteriezellen. Wenn diese Innovation sich weltweit durchsetzt, ermöglichen siliziumbasierte Batterien eine konsequente Elektrifizierung von allem.

Die Vorteile unseres Anodenmaterials auf Siliziumbasis, SCC55™, sind enorm. Der Ersatz von Graphit verwandelt SCC55™ Lithium-Ionen-Batterien in hochleistungsfähige Lithium-Silizium-Batterien, die:

1. eine höhere Energiedichte, von 50 Prozent und mehr Ladung im Vergleich zu herkömmlichen Graphitanodenbatterien aufweisen,
2. ein deutlich schnelleres Aufladen als Li-Ionen-Batterien mit Graphit ermöglichen und
3. eine vergleichbare Stabilität wie Graphit über 1.000 Tiefentladungszyklen hinweg aufweist. Das macht es möglich, Anwendungen zu entwickeln, die bislang nicht vorstellbar sind.

Darüber hinaus kann SCC55™ in bestehende Fertigungslinien für Batteriezellen problemlos integriert werden, um sofort die leistungsfähigeren Batterien herzustellen. Zusätzliche Anforderungen auf Zellebene bestehen für die Implementierung nicht. Diese echte „Drop-in“-Leistung bietet drei wichtige Vorteile für die Herstellung im großen Maßstab:

1. sofortige Implementierung in die Fertigungslinie ohne Umschulung der Mitarbeiter, 
2. keine Investitionskosten für die Nachrüstung der Fertigungslinie und
3. signifikante Verkürzung der Markteinführungszeit neuer Produkte

Die „Drop-in“-Technologie ist ein entscheidender Erfolgsfaktor. Sie stellt sicher, dass ein Produkt von der ersten Fabrik bis hin zu allen nachfolgenden Produktionsanlagen problemlos in großem Maßstab und zu vertretbaren Kosten hergestellt werden kann. Das aufregende Potenzial siliziumbasierter Batteriematerialien, die dadurch in industriellem Maßstab hergestellt werden, liegt in der deutlich besseren Leistung im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien mit Graphit.

Herkömmliche Li-Ionen-Batterie mit Graphit vs. neue Siliziumbatterie mit SCC55™

Eine wichtige Leistungsverbesserung mit SCC55™ betrifft die Energiedichte der Batterie. Das obige Diagramm veranschaulicht den Platzbedarf in einer Batteriezelle für eine Anode aus Graphit und aus unserem SCC55™. Der Einsatz von SCC55™ schafft 40 – 60 Prozent mehr Platz für die Kathode. Da die Kathode das Lithium transportiert, bedeutet mehr Kathode deutlich mehr Lithium und damit eine radikal verbesserte Energiedichte.

Die Notwendigkeit, von Graphit wegzukommen, geht weit über die Leistung hinaus

Weltweite Anodenkapazität nach Ländern, 2019

Roskill. Von: Lithium-Ionen-Batterien: Ausblick bis 2029. (2021).

Wie aus dem obigen Diagramm deutlich hervorgeht, stammen fast alle Graphit- und Anodenrohstoffe für Li-Ionen-Batterien aus Asien. Ein Grund für die Abkehr vom Graphit liegt nicht nur in den Leistungsgrenzen herkömmlicher Batterien, sondern auch in den Unsicherheiten der globalen Lieferkette für Batterien. Abgesehen von Lithium gibt es ein Material, auf das alle derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien angewiesen sind: Graphit. Graphit ist ein seltsam unbemerkter Bestandteil der Lithium-Ionen-Batterie, aber die Menge, die für die heutigen Batterien benötigt wird, ist enorm (zum Beispiel enthalten die Batterien des Tesla Model S bis zu 85 kg Graphit, und für die Netzspeicherung wird noch viel mehr Graphit benötigt). Mit anderen Worten: Die Graphitanode ist ein wesentlicher Bestandteil der Leistungsbilanz für Lithium-Ionen-Batterien. Aber woher kommt das Graphit? Gibt es Unterschiede zwischen den Graphitarten? Warum ist es schwierig, vom Graphit wegzukommen?

Graphit gibt es in zwei Formen: Naturgraphit (der aus einem [recht seltenen] Bergbauprodukt und als Nebenprodukt des Kohlebergbaus oder der Erdölraffination gewonnen wird) und das synthetische Graphit (das aus Petrolkoks oder Kohlenteer hergestellt wird). Bislang dominieren China und Japan die weltweite Produktion von Naturgraphit. Die kritische Verfügbarkeit von Graphit außerhalb dieser Länder stellt die Fähigkeit der USA und anderer Länder in Frage, erschwingliche Li-Ionen-Batterien zu produzieren und dafür Sorge zu tragen, dass die Graphitvorräte nicht zur Neige gehen. Mit anderen Worten: Wir sind nicht in der Lage, die rasant gewachsene Elektrifizierungsnachfrage effizient, kostengünstig und vor allem zuverlässig zu bedienen. Eine Reaktion auf den Engpass bei der Graphitversorgung war die Investition in die Produktion von synthetischem Graphit. Eine Lösung, die die sich abzeichnende Nachfrage jedoch ebenso wenig decken kann. Um sicherzustellen, dass Unterhaltungselektronik, Mobilitätstechnologien, Elektrofahrzeuge sowie die Luft- und Raumfahrt ihr ganzes Potenzial ausschöpfen und die nächsten zehn Jahre entwickeln können, müssen wir uns von der geografisch kontrollierten Ressource Graphit lösen.

Da die Graphitversorgung so eng an einen kleinen geografischen Raum gebunden ist, hängt die weltweite Versorgung mit Batterien wirklich von der Entscheidungsfindung einiger weniger Länder ab. Da Graphit in den meisten Li-Ionen-Batterien verwendet wird, ist es außerdem schwierig, Materialien zu finden, die es ersetzen und gleichzeitig die aktuell hohe Li-Ionen-Nachfrage befriedigen – es sei denn, die Materialien sind im Drop-in-Maßstab herstellbar. Außerdem wissen wir aus unserem früheren Whitepaper, dass Graphit sein größtes technisches Potenzial längst erreicht hat und zurzeit die Welt von elektrifizierten Innovationen mit größerem Potenzial eher abhält.

Das Problem, mit dem wir in allen Sektoren konfrontiert sind: Wenn wir nicht über Graphit hinausgehen, sind wir nicht in der Lage, die von Batterien abhängige Technologien weiterzuentwickeln, die schon jetzt viel mehr möglich macht als das, was wir heute auf dem Markt sehen. Die Unfähigkeit, diese Technologie voranzutreiben, verhindert den schrittweisen Fortschritt der Energiewende, der für den globalen Fortschritt entscheidend ist (beispielsweise der Übergang von mit Verbrennern betriebenen Fahrzeugen zu E-Fahrzeugen).

Eine interessante Wendung beim Graphit-Problem ist die Beobachtung, dass Graphit zwar in flüssigkeitsbasierten Batterien verwendet wird, aber für Festkörperanwendungen weniger geeignet ist, was seine Flexibilität und Rentabilität für Batterieinnovationen auch in Zukunft stark einschränkt. Zudem ist anzumerken, dass Anoden auf Siliziumbasis (die nicht durch Engpässe der Graphit-Lieferkette behindert werden) flexibel in allen Batterietechnologien (ob flüssig- und/oder feststoffbasiert) zum Einsatz kommen. Die Flexibilität von siliziumbasierten Anoden in verschiedenen Batteriesystemen führt zu einer Verbesserung aller Batterieanwendungen: Lithium-Silizium, Festkörper und darüber hinaus.

Die Verwendbarkeit des Materials in verschiedenen Batteriesystemen ist von entscheidender Bedeutung für die Deckung des Energiebedarfs in den kommenden Jahren. Das nachstehende Wood Mackenzie-Diagramm zeigt den nahezu exponentiellen, weltweiten Graphitverbrauch, der zur Deckung des Elektrifizierungsbedarfs prognostiziert wird. Die Abkehr von Graphit sichert den technologischen Fortschritt in der Zukunft, während die weitere Verwendung von Graphit nur zu einer Fortsetzung der technologischen Stagnation führt.

Vorhersage des Verbrauchs von Rohstoffen für Anoden nach Typ, 2019-2025 (tpy)

Roskill. Von: Lithium-Ionen-Batterien: Ausblick bis 2029. (2021).

Darüber hinaus behindert die weltweite Abhängigkeit von einer einzigen geografischen Region bei der Versorgung mit Graphitanoden sowohl Geschwindigkeit als auch Zuverlässigkeit der weltweiten Elektrifizierung. Gleichzeitig treibt Graphit die Kosten für die Elektrifizierung in die Höhe und öffnet Versorgungsschwankungen aufgrund politischer Einmischung und Ressourcennationalismus Tür und Tor.

Das Graphitproblem wird noch dadurch verschärft, dass Flockengraphit, eine der Hauptquellen für Naturgraphit, bereits 2023 in ausreichender Menge nicht verfügbar war. Wächst die weltweite Energienachfrage um 58 Prozent – wie prognostiziert – steigt die Graphitnachfrage in den nächsten zehn Jahren fast um das Zehnfache an. Dadurch verschärft sich das Versorgungsproblem, wenn nicht rasch Alternativen gefunden werden. In der Zwischenzeit halten die wenigen Länder, die das Graphit liefern, ihr Angebot weiterhin klein. Das Zusammentreffen dieser Realitäten schafft die Voraussetzung für eine katastrophale Krise der Lieferkette. Mit anderen Worten: Die Elektrifizierung von allem ist an ein veraltetes Material, Graphit, gekettet, das weder für die technologischen Träume von morgen ausreicht noch die weltweit und inländisch rasant wachsende Nachfrage nach Energiespeichern decken kann. Allein dieser Punkt verdeutlicht, warum es so wichtig ist, mit dem Aufbau heimischer Batterielieferketten zu beginnen. Und er unterstreicht die Dringlichkeit, von Graphit betriebenen Li-Ionen-Batterien zu Siliziumbatterien überzugehen, die im Inland hergestellt werden.

Die Herausforderungen der Skalierung für Hersteller von Batteriematerialien

Für einen neuen Hersteller von Siliziumbatterie-Materialien sind vor allem zwei Faktoren von Bedeutung: erstens die Produktionskosten und zweitens die kommerzielle Skalierbarkeit. Die letztere Herausforderung besteht darin, ein Laborprodukt schnell in ein vermarktbares Produkt zu verwandeln. Wie bei vielen Unternehmen, die sich mit der Herstellung von Energiespeichern und erneuerbaren Energien befassen, führt die Konzentration darauf, das beste Produkt auf den Markt zu bringen, oft zu nicht kosteneffizienten Innovationen und in der Folge zum Scheitern von Unternehmen mit großartigen Ideen.

Viele Akteure im heutigen Batteriesektor begehen den oben beschriebenen Fehler: Sie beeilen sich, großartige akademische Ergebnisse für Laborprojekte zu verkünden, ohne dabei die Kosten und die Prozessentwicklung zu berücksichtigen, die für eine erfolgreiche Vermarktung notwendig sind. Dies kann zu einer Katastrophe führen, wenn das Produkt das Labor verlässt, weil es grundsätzlich zu teuer ist, um im großen Maßstab produziert zu werden, und/oder zu komplex ist, um es mengenmäßig zu skalieren. Zu viel Komplexität kann einem Produkt den Todesstoß versetzen, wenn es für die weltweite Marktnachfrage skaliert werden soll.

Was ist die Schlussfolgerung? Die Leistung des Produkts ist wichtig, aber die Kosten und die Skalierbarkeit des Produkts sind entscheidend. Indem wir die Kosten für Innovationen bei Siliziumbatterien senken und komplexe Prozesse ausschließen, öffnen wir die Tür zu einer Technologie im markttauglichen Maßstab.

Die zweite Herausforderung für Siliziumbatterietechnologien ist die Eroberung des Unternehmens der Marktführerschaft. Viele Teams sind übermäßig optimistisch und wollen einen schnellen Erfolg erzielen, aber für einen kommerziellen Erfolg sind oft mehrere Ideen, möglicherweise Tausende von Iterationen und harte Erfahrungen notwendig, um einen echten Erfolg in größerem Maßstab zu erzielen. Einer der wichtigsten Schritte zur Überwindung dieser Herausforderung ist die Integration der Prozessentwicklung. Wenn Unternehmen Prozesse nicht nur im Labormaßstab entwickeln, setzen sie sich nicht nur mit potenziellen Komplikationen des kommerziellen Maßstabs auseinander, sondern stellen eher fest, dass sie die Prozesse nicht genug berücksichtigt haben, und eine unbeabsichtigten Kosten- und Komplexitätsexplosion droht.

Um diese Herausforderung zu meistern, ist in der Regel ein Führungsteam mit Erfahrung in der Skalierung von Technologien erforderlich. Es weiß, warum es so wichtig ist, frühzeitig auf die oft knappen Ressourcen hinzuweisen. Ein unverzichtbarer Schritt bei der Skalierung eines Unternehmens zum mengenmäßig relevanten Hersteller.

Selbst wenn ein Team die Erfahrung und Voraussicht hat, die Skalierung während der Produktentwicklung zu priorisieren, ist es unmöglich, alle Fehltritte während des Herstellungsprozesses im großen Stil zu vermeiden. Die Unternehmen, die in der Ära der Siliziumbatterie-Innovation Erfolg haben wollen, müssen sich darauf konzentrieren, ihre Technologie so zu optimieren, dass sie die Anforderungen von Kunden und Partnern gleichermaßen erfüllt. Da die Verbraucher zunehmend erkennen, dass der Klimawandel durch eine Elektrifizierung traditionell mit Verbrennern betriebener Systeme rasch anzugehen ist, und die Unterhaltungselektronik in allen Sektoren weiter expandiert, wird die Nachfrage weiter steigen. Ein Unternehmen, das in der Lage ist, sein Batterieprodukt in großem Maßstab und auf regionalen, heimischen Märkten effizient zu produzieren, ohne dabei Abstriche an Kosten, Leistung, Qualität und Sicherheit zu machen, wird sich eine entscheidende Rolle im Markt sichern. Wenn ein Unternehmen über eine ausgefeilte Prozessentwicklung verfügt, um eine Silizium basierte Batterieinnovation von Anfang an im großem Maßstab zu produzieren, ist es in der Lage, wirtschaftlich große Erfolge zu erzielen.

Der kommerzielle Erfolg erfordert es, neuen Marktteilnehmer die Produktübernahme so einfach wie möglich zu gestalten. Die überwältigende Nachfrage nach Energiespeichern bedeutet aktuell zum Beispiel, dass Batteriehersteller keine drastischen Änderungen an den Fertigungsstraßen vornehmen, um die Produktion nicht zu verlangsamen oder neue Materialien einzuführen. Genau aus diesem Grund sind Siliziumbatterien als skalierbare Innovation die einzige fortschrittliche Batterietechnologie, die heute zur Verfügung steht. Nur sie kann die erforderliche Leistung zu dem gewünschten Preis und in dem für die verschiedenen Branchen erforderlichen Umfang liefern. Den heutigen Bedarf können nur Unternehmen decken, die über Drop-in-Materialien und Plug-and-Play-Fabriken verfügen. Nur diese Kombination durchbricht den Kreislauf der geografisch und/oder staatlich kontrollierten Ressourcen für das Batteriematerial und ermöglicht einen nahtlosen Übergang zu besseren Batterien.

Die modulare Fertigung von Group14 erfüllt globale Anforderungen

Group14 hat das Unternehmen absichtlich so aufgebaut, dass es schnell skalieren kann. Wir haben unseren gesamten Herstellungsprozess sowohl für das heutige bahnbrechende Produkt SCC55™ als auch für alle unsere geplanten innovativen Produkte so konzipiert, dass sie vom ersten Tag an im kommerziellen Maßstab hergestellt werden können.

Um schnell und sicher den kommerziellen Maßstab zu erreichen, haben wir in enger Zusammenarbeit mit unseren Partnern ein modulares Konzept für die Produktion entwickelt, das wir als Battery Active Material (BAM)-Fabriken bezeichnen. Jedes BAM-Fabrikmodul ist in sich geschlossen und hat eine Kapazität von 2.000 Tonnen pro Jahr. Dieses modulare Design ermöglicht eine Plug-and-Play-Erweiterung überall auf der Erde und stellt sicher, dass wir mehrere BAM-Module aneinanderreihen können, um eine BAM-Fabrik beliebiger Größe zu bauen, so dass wir schnell und global skalieren können. Außerdem verwenden alle unsere Produkte im Wesentlichen die gleichen Herstellungsprozesse, was eine gleichbleibende Skalierung über Jahre hinweg garantiert. Unsere BAM-Module und BAM-Fabriken lockern die Abhängigkeit der Industrie von Graphit, einer weitgehend geografisch und staatlich kontrollierten Ressource.

Unsere BAM-Modulstrategie für die schnelle Skalierung und Herstellung des SCC55™ und aller unserer Roadmap-Produkte hat drei wichtige Vorteile:

1. verkürzte Bauzeit (wir haben den Bauplan, jetzt geht es um die Wiederholung),
2. kosteneffiziente Produktion (wir verwenden konventionelle Anlagen, die weltweit verfügbar sind, und unser Verfahren besteht aus zwei relativ einfachen Schritten) und
3. schnelle Skalierbarkeit mit Konfigurationsflexibilität und vollständiger Standortunabhängigkeit (da jedes Modul identisch ist, können wir so viele Module wie nötig zusammenstellen)

Wir nennen unseren Fertigungsansatz Plug-and-Play-Fertigung. Die Plug-and-Play-Fertigung ermöglicht eine schnelle globale Skalierung, da jedes BAM-Modul eine Kapazität von 2.000 Tonnen pro Jahr hat. Denn:

• es ist zu 100 % identisch, was die EPC-Zeitpläne erheblich verkürzt,
• es verkürzt die Inbetriebnahme- und Qualifizierungszyklen,
• es steht schon heute für den weltweiten Einsatz bereit,
• es kann überall auf der Erde schnell und relativ einfach platziert werden und
• es ermöglicht herausragende Produktionsbetriebszeiten und eine hohe Produktionszuverlässigkeit in jedem Werk, unabhängig vom Standort

Group14 hat sich zum Ziel gesetzt, ein weltweit führender Anbieter von Energiespeicherinnovationen zu sein, die in globalem Maßstab einsetzbar sind. Unsere Strategie für BAM-Module und BAM-Fabriken stellt sicher, dass wir so viele BAM-Fabriken liefern können, wie nötig sind, um die Marktnachfrage durch die Elektrifizierung von allem zu befriedigen. Die Errichtung von BAM-Fabriken wird zusammen mit anderen Fertigungsinnovationen wie der Errichtung von Gigafabriken dazu beitragen, dass die rasant steigende Nachfrage im eigenen Land gedeckt werden kann.

Die Bedeutung von strategischen Partnerschaften und Dual Source Manufacturing

Unsere Vorlage für die Skalierung ist fertig, und sie funktioniert. Ein modularer Ansatz für die Produktion ist zwar entscheidend für eine schnelle Skalierung, aber das geht nicht über Nacht. Es erfordert die Nutzung strategischer Partnerschaften, um von Anfang an für wichtige regionale Märkte zu produzieren. Unsere strategische Partnerschaft und das Joint Venture (JV) mit der SK Group (die über enorme Erfahrung und Fähigkeiten in der Fertigung verfügt) hat dazu beigetragen, das Design der BAM-Module zu validieren und zu finalisieren. Zudem stellt sie sicher, dass die duale Beschaffung bei allen gemeinsamen Bemühungen berücksichtigt wird. Diese und andere Partnerschaften sind für jedes Unternehmen, das fortschrittliche Batteriematerialien herstellt, ein wichtiger erster Schritt, um Risiken in der Lieferkette für Großabnehmer in allen Sektoren zu vermeiden.

Durch die duale Beschaffung haben wir nicht nur das Lieferkettenrisiko für unsere Kunden eliminiert, sondern Group14 hat auch die Produktions- und Engineering-Kapazitäten durch die Zusammenarbeit mit wichtigen europäischen Batterielieferanten und Automobil-OEM weiter vertieft. Durch diese strategischen Partnerschaften wird sichergestellt, dass die SCC55™-Produktion und alle geplanten Energiespeicherinnovationen in jedem Schlüsselmarkt weltweit – Nordamerika, Asien und Europa – verlässlich etabliert werden. Dadurch werden die globalen Lieferkettenbeschränkungen, die diese Märkte betreffen, erheblich gemildert und eine schnelle Loslösung von der globalen Abhängigkeit von Graphit ermöglicht. Wenn es uns gelingt, den Übergang von Graphit- zu Li-Ionen-Batterien schnell und in großem Maßstab zu vollziehen, können wir die Elektrifizierung von allem, was heute ist, vorantreiben und gleichzeitig eine neue Ära für elektrifizierte Technologien in allen Sektoren einläuten, darunter: elektrische und autonome Fahrzeuge, Edge Computing, KI-Fortschritte, Robotik, AR/VR, motorisierte Prothesen, Elektroflug, Mobilität in all ihren Formen, Supercomputing, IOT und vieles mehr.

Die Batterieanforderungen von heute und morgen erfordern die weltweite Masseneinführung von Siliziumbatterien, die mit skalierbaren und modularen Herstellungsverfahren produziert werden. Der Übergang der Energiespeicherindustrie von einer übermäßigen Abhängigkeit von Lithium-Ionen-Batterien mit Graphitanoden (mit begrenztem Potenzial) zu Siliziumbatterien mit siliziumbasierten SCC55™-Anoden, die überall auf der Erde schnell und kostengünstig hergestellt werden können, ist entscheidend für die Elektrifizierung von allem. Wir haben uns der Schaffung einer rein elektrischen Welt verschrieben und haben in alle unsere Innovationen die richtigen Skalierungsprozesse integriert, damit wir diese Verpflichtung einhalten können.

Wir hoffen, dass dieses Whitepaper unseren Stakeholdern hilft, besser zu verstehen, warum es so wichtig ist, von graphitbetriebenen Li-Ionen-Batterien auf SCC55™-betriebene Siliziumbatterien umzusteigen, und dass es die Bedeutung einer skalierbaren inländischen Produktion herausstellt.