Da die Nachfrage nach mobilen Computern und vollelektrischen Autos zunimmt, stellen die Beschränkungen der gegenwärtigen Batterietechnologie eine Straßensperre dar. Die elektrische Batterie wurde in den 1790er Jahren vom italienischen Physiker Alessandro Volta erfunden und war das Arbeitstier zahlreicher Geräte, Geräte und Maschinen.
Da Verbrauchergeräte immer kleiner und ihre ununterbrochene Verwendung vor dem Aufladen immer wichtiger werden, wird es auch immer wichtiger, dass Batterien sowohl miniaturisiert als auch energieeffizienter werden. Dies hat sich jedoch als technologische Hürde erwiesen, die, wenn sie überschritten wird, eine wichtige und profitable Entwicklung für die Hightech-Wirtschaft von morgen darstellt.
Batterietechnologie
Alle elektrischen Batterien beruhen auf der grundlegenden chemischen Reaktion von Reduktion und Oxidation (Redox), die zwischen zwei verschiedenen Materialien auftreten kann. Diese Reaktionen sind in einem geschlossenen und versiegelten Behälter untergebracht. Die Kathode oder der positive Anschluss wird durch die Anode oder den negativen Anschluss reduziert, wo Oxidation auftritt. Die Kathode und die Anode sind physikalisch durch einen Elektrolyten getrennt, durch den Elektronen leicht von einem Anschluss zum anderen fließen können. Dieser Elektronenfluss verursacht ein elektrisches Potential, das einen elektrischen Strom zulässt, wenn eine Schaltung abgeschlossen ist.
Verbraucherbatterien (sogenannte Primärbatterien), wie die AA- und AAA-Zellen, die von Unternehmen wie Energizer (ENR) hergestellt werden, basieren auf einer Technologie, die modernen Anwendungen nicht förderlich ist. Zum einen sind sie nicht wiederaufladbar. Diese sogenannten Alkalibatterien verwenden eine Mangandioxidkathode und eine Zinkanode, die durch einen verdünnten Kaliumdioxidelektrolyten getrennt sind. Der Elektrolyt oxidiert das Zink in der Anode, während das Mangandioxid in der Kathode mit den oxidierten Zinkionen reagiert, um Elektrizität zu erzeugen. Allmählich bilden sich im Elektrolyten Reaktionsnebenprodukte, und die Menge des zu oxidierenden Zinks wird verringert. Schließlich ist die Batterie leer. Diese Batterien liefern typischerweise 1, 5 Volt Elektrizität und können seriell angeordnet werden, um diese Menge zu erhöhen. Beispielsweise liefern zwei AA-Batterien in Reihe drei Volt Strom.
Wiederaufladbare Batterien (sogenannte Sekundärbatterien) arbeiten auf die gleiche Art und Weise, wobei eine Reduktionsoxidationsreaktion zwischen zwei Materialien verwendet wird, sie ermöglichen jedoch auch, dass die Reaktion umgekehrt abläuft. Die derzeit am häufigsten verwendeten wiederaufladbaren Batterien auf dem Markt sind Lithium-Ionen-Batterien (LiOn). Bei der Suche nach einer funktionsfähigen wiederaufladbaren Batterie, einschließlich Nickel-Metallhydrid (NiMH) und Nickel-Cadmium (NiCd), wurden jedoch auch verschiedene andere Technologien ausprobiert.
NiCd war die erste im Handel erhältliche wiederaufladbare Batterie für den Massenmarkt, litt jedoch unter der Fähigkeit, nur eine begrenzte Anzahl von Wiederaufladungen durchzuführen. NiMH ersetzte NiCd-Batterien und konnte häufiger aufgeladen werden. Leider hatten sie eine sehr kurze Haltbarkeit, so dass sie unwirksam sein könnten, wenn sie nicht bald nach ihrer Herstellung verwendet würden. LiOn-Batterien lösten diese Probleme, indem sie in einem kleinen Behälter mit langer Haltbarkeit und vielen Ladevorgängen geliefert wurden. LiOn-Akkus sind jedoch in der Unterhaltungselektronik wie Mobilgeräten und Laptops nicht die am häufigsten verwendeten Akkus. Diese Batterien sind viel teurer als Einweg-Alkalibatterien und werden normalerweise nicht in den herkömmlichen Größen AA, AAA, C, D usw. angeboten.
Der letzte Typ von wiederaufladbaren Batterien, mit dem die meisten Menschen vertraut sind, sind flüssige Blei-Säure-Batterien, die am häufigsten als Autobatterien verwendet werden. Diese Batterien können viel Strom liefern (wie beim Kaltstart eines Autos), enthalten jedoch gefährliche Stoffe, einschließlich Blei und Schwefelsäure, die als Elektrolyt verwendet werden. Diese Arten von Batterien müssen mit Sorgfalt entsorgt werden, um die Umwelt nicht zu verschmutzen oder Personen zu verletzen, die damit umgehen.
Das Ziel der gegenwärtigen Batterietechnologie ist es, eine Batterie zu schaffen, die mit der Leistung von LiOn-Batterien mithalten oder diese verbessern kann, jedoch ohne die mit ihrer Herstellung verbundenen hohen Kosten. Innerhalb der Lithium-Ionen-Familie konzentrierten sich die Bemühungen auf die Zugabe zusätzlicher Inhaltsstoffe, um die Wirksamkeit der Batterie zu erhöhen und gleichzeitig den Preis zu senken. So sind beispielsweise Lithium-Kobalt- Anordnungen (LiCoO2) in vielen Mobiltelefonen, Laptops, Digitalkameras und tragbaren Produkten enthalten. Lithium-Mangan- Zellen (LiMn2O4) werden am häufigsten für Elektrowerkzeuge, medizinische Instrumente und elektrische Antriebe verwendet, wie sie in Elektrofahrzeugen zu finden sind. (Weitere Informationen finden Sie unter: Warum sind Tesla-Autos so teuer? )
Derzeit werden Forschungs- und Entwicklungsteams eingesetzt, um die Leistung von Lithium-Batterien zu steigern. Lithium-Luft -Batterien (Li-Air) sind eine aufregende Neuentwicklung, die eine viel größere Energiespeicherkapazität ermöglichen könnte - bis zu zehnmal mehr Kapazität als eine typische LiOn-Batterie. Diese Batterien "atmen" buchstäblich Luft, indem sie freien Sauerstoff zur Oxidation der Anode verwenden. Obwohl diese Technologie vielversprechend erscheint, gibt es eine Reihe von technologischen Problemen, einschließlich des schnellen Aufbaus von leistungsmindernden Nebenprodukten und des Problems des "plötzlichen Todes", bei dem die Batterie ohne Vorwarnung nicht mehr funktioniert.
Lithium-Metall-Batterien sind ebenfalls eine beeindruckende Entwicklung und versprechen eine fast viermal höhere Energieeffizienz als die derzeitige Technologie für Elektroautobatterien. Diese Art von Batterie ist auch viel billiger herzustellen, was die Kosten der Produkte senkt, die sie verwenden. Sicherheitsprobleme sind jedoch ein wichtiges Anliegen, da diese Batterien bei Beschädigung überhitzen, einen Brand verursachen oder explodieren können. Andere neue Technologien, an denen gearbeitet wird, sind Lithium-Schwefel und Silizium-Kohlenstoff. Diese Zellen befinden sich jedoch noch in den frühen Forschungsphasen und sind noch nicht kommerziell einsetzbar. Es gibt auch verschiedene Entwicklungen im Bereich solarbetriebener Batterien.
Investition in Batterietechnologie
Wenn sich die Batterietechnologie in diese aufregenden neuen Richtungen entwickelt, werden die Produktionskosten für Unterhaltungselektronik und für Elektrofahrzeuge wie die von Tesla Motors (TSLA) gesenkt. Tesla kündigte kürzlich den Bau einer "Gigafactory" an, die nicht nur mehr Fahrzeuge, sondern auch eigene LiOn-Batterien in Zusammenarbeit mit dem japanischen Elektronikgiganten Panasonic (ADR: PCRFY) produzieren soll. Indem Tesla das Problem der Batterieproduktion selbst in die Hand nimmt, hat es möglicherweise eine großartige Möglichkeit gefunden, Investitionen in Elektroautos und Batterietechnologie zu tätigen.
Der Markt für Batterietechnologie ist etwas kurzsichtig, da neue Technologien, Entwicklungen und Partnerschaften die Branche vorantreiben. Visiongains „Top 20 Lithium-Ionen-Batteriehersteller-Bericht 2018“ bietet einen umfassenden Einblick in den Batterietechnologiemarkt und die wichtigsten Hersteller. Zu den Unternehmen in dem Bericht gehören:
- A123 Systems Inc. Automotive Energy Supply Corporation (AESC) Luftfahrtindustrie Corporation in China (AVIC) BYD Company Ltd. CBAK Energy Technology Inc. Zeitgenössische Amperex Technology Ltd. (CATL) GS Yuasa Corporation Hefei Guoxuan Hightech Power Energy Co., Ltd. Hitachi Chemical Co., Ltd Johnson Controls International Plc. LG Chem Microvast Inc. Panasonic Corporation Saft Batterien Samsung SDI Co. Ltd. TDK Corporation / Amperes Technology Ltd. (ATL) Tesla Inc. Tianjin Lishen Batterie Aktiengesellschaft Ltd. Tianneng Power International Ltd. Toshiba Corporation
Andere bemerkenswerte 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 hauptsächlich für industrielle und medizinische Zwecke her Alternative Energy Company, die ein mehrheitliches Joint Venture mit Delphi Automotive (DLPH) zur Entwicklung von Batterielösungen für Elektrofahrzeuge unterhält. Haydale Graphene Industries PLC (LON: HAYD) ist ein britisches Unternehmen, das unter anderem Nanotechnologie und das Material Graphen zur Herstellung nutzt Batterien auf Graphenbasis. Applied Graphene Materials (OTCMKTS: APGMF) forscht auch für Anwendungen auf Graphenbasis. EnerSys ist ein reines Batteriespiel. Es ist derzeit der weltweit größte Hersteller von Industriebatterien.
Es gibt auch den Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT). Dieser ETF ist bestrebt, den Solactive Global Lithium Index abzubilden, und bietet ein Engagement in einem diversifizierten Portfolio von börsennotierten Unternehmen, die sich hauptsächlich auf Lithium konzentrieren, einschließlich der Gewinnung von Lithium, der Raffination von Lithium und der Verwendung von Lithium bei der Batterieproduktion. Zu den Top-Positionen des LIT ETF im Oktober 2018 gehörten:
- 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%
Die Quintessenz
Batterien für die Stromversorgung waren in der Neuzeit immer wichtig. Mit dem Aufkommen von Mobile Computing und Elektroautos wird ihre Bedeutung jedoch weiter zunehmen. Derzeit machen beispielsweise Akkupacks mehr als die Hälfte der Kosten eines Tesla-Automobils aus.
Aufgrund ihrer wachsenden Bedeutung gewinnt die Forschung nach neueren und besseren wiederaufladbaren Batterien zunehmend an Bedeutung. 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 an der Batterieproduktion beteiligt sind, in reine Lithiumionenhersteller oder indirekte Engagements über Lithiummetallhersteller die zukünftige Performance eines Portfolios unterstützen. ( Weitere Informationen finden Sie unter: Investition in den nächsten Megatrend: Lithium .)
