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Apr 14, 2023

Wie Batterien hergestellt werden – und wie die Zukunft einer neuen Branche auf dem Spiel steht

In den alten Kerngebieten Australiens für fossile Brennstoffe entsteht eine neue Art von Industrie

In den alten Kerngebieten Australiens für fossile Brennstoffe entsteht eine neue Art von Industrie.

In Kwinana südlich von Perth, unweit der Schornsteine ​​und Silos einer stillgelegten Ölraffinerie, wurde Land für die Produktion hochraffinierter Batteriemineralien gesichert.

In Geelong, wo Ford fast ein Jahrhundert lang Autos baute, wird an einer Lithium-Ionen-Batterie-„Gigafabrik“ gearbeitet.

Im Hunter Valley, wo Kohle König ist, wurde gerade eine weitere Gigafabrik eröffnet.

Und Anfang dieses Monats stellte sich heraus, dass Lithium, ein zentraler Bestandteil von Batterien, für WA bald mehr wert sein wird als Öl, Gas und Kohle zusammen.

Der bescheidene Akku ist zu einer großen Sache geworden.

Eine Technologie, die für den Betrieb von Mobiltelefonen entwickelt wurde, ist für alles von entscheidender Bedeutung geworden, vom sauberen Transport bis hin zu erneuerbaren Netzen.

Es wird prognostiziert, dass sich die weltweite Nachfrage nach Batterien in den nächsten zehn Jahren verzehnfachen und bis 2050 vervierzigfachen wird.

Jetzt wird eine Frage gestellt, und ihre Antwort könnte den Wohlstand Australiens für Generationen prägen.

Wer stellt die Batterien her?

Batterien werden an vielen Orten und aus vielen Materialien hergestellt.

„Eine moderne wiederaufladbare Batterie ist ein hochentwickeltes Stück Technologie“, sagt Shannon O'Rourke, CEO des Future Battery Industries Cooperative Research Centre (FBI CRC) an der Curtin University in Westaustralien.

„Obwohl es von außen einfach aussieht, enthält es im Inneren präzise gefertigte Materialien, die aus reinsten, raffinierten Produkten hergestellt werden.“

Die folgende Grafik zeigt die Abfolge der Prozesse, die Rohmineralien in eine Lithium-Ionen-Batterie verwandeln, und den Anteil am Gesamtumsatz, den jeder Schritt dieser Wertschöpfungskette bis 2030 voraussichtlich ausmachen wird.

Der Schritt der Zellherstellung macht fast die Hälfte des Gesamtumsatzes aus, aber Australien stellt derzeit keine Lithium-Ionen-Zellen in großem Maßstab her.

Stattdessen stammt sein Beitrag fast ausschließlich aus dem Bergbau, der drei Cent pro Dollar des Gesamtwerts ausmacht.

In diesem Geschäftsjahr wird Australien Lithium im Wert von etwa 18,5 Milliarden US-Dollar exportieren, was etwa der Hälfte des weltweiten Angebots entspricht.

Der Großteil dieses Lithiums wird nach China verschifft, wo sechs der zehn größten Batteriehersteller der Welt beheimatet sind und die globale Batterie-Wertschöpfungskette dominiert.

Ähnlich verhält es sich mit anderen Batteriemineralien wie Graphit, Nickel, Mangan, Kobalt, Vanadium, Kupfer und Aluminium.

Australien verkauft im Wesentlichen „die Wolle und kauft Pullover zurück“, sagt Brian Craighead, CEO von Renaissance Energy, einem australischen Batteriehersteller.

„Das ist im Grunde das, was wir tun: Wir graben es aus und verschicken es.“

„Wir bekommen 5 Cent im Dollar und leben damit … aber wir können 95 Cent bekommen.“

Der weltweit größte Batteriehersteller sagt, dass seine neue Batterie mit einer einzigen Ladung Elektroflugzeuge antreiben oder Elektrofahrzeuge über 1.000 km hinaus antreiben könnte.

Damit Australien einen größeren Umsatzanteil erzielen kann, muss es sich mit seinen Handelspartnern in ihrem eigenen Spiel der groß angelegten Mineralienverarbeitung und fortschrittlichen Fertigung messen.

Die Bundesregierung bereitet hierfür eine nationale Strategie vor und hat dem Sektor vergünstigte Kredite zugesagt.

Letzte Woche kündigte das Unternehmen ein „Wachstumszentrum“ an, um Unternehmen zu unterstützen, die vor Ort saubere Energietechnologien herstellen möchten.

Aber innerhalb dieser aufstrebenden Branche besteht die Sorge, dass Australien zu langsam voranschreitet.

„Alle in diesem Prozess, auch wir, sagen, wir müssen dafür sorgen, dass es schneller geht“, sagt Steve McCartney, WA-Staatssekretär der Australian Manufacturing Workers' Union (AMWU WA).

Adam Best, leitender Forschungswissenschaftler am CSIRO, sagt, der Rest der Welt bewege sich schneller als Australien.

„Die Chance ist meiner Ansicht nach nur ein kurzes Zeitfenster.

„Sobald diese [Batterieherstellungs-]Anlagen [im Ausland] eingerichtet sind, werden Sie sie nicht mehr verlegen.“

Trotz seiner natürlichen Vorteile in Bezug auf Ressourcen und billige Energie könnte Australien beim Verkauf der Wolle und dem Rückkauf von Pullovern stecken bleiben.

„Jeder möchte eine Supermacht für saubere Energie sein“, sagt Herr O'Rourke.

„Es ist ein Wettbewerb, kein Slogan.“

Stellen Sie sich einen Lithium-Ionen-Akku wie eine hohe, säulenförmige Hochzeitstorte vor, mit Schichten aus Biskuit und Sahne, nur dass sie flach auf die Seite gelegt wurde.

„Es gibt viele Ähnlichkeiten mit der Lebensmittelherstellung“, sagt Rob Fitzpatrick, CEO von Recharge Industries, das Australiens erste große Fabrik zur Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen baut.

„Man muss täglich Zehntausende Batteriezellen auspumpen.“

Eine typische Batterie besteht aus vier Hauptkomponenten: einer Anode, die die Lithiumionen beim Laden hält, einer Kathode, die sie beim Entladen hält, einem Separator, der in der Mitte platziert ist, und einem Elektrolytmedium, das die Bewegung von Lithiumionen zwischen Kathode und Anode ermöglicht .

Wie beim Backen eines Kuchens beginnt man mit den Rohzutaten.

Für dieses Beispiel betrachten wir den Batterietyp, der heutzutage in den meisten Elektrofahrzeugen, E-Bikes und Elektrowerkzeugen zu finden ist.

Es ist als NMC bekannt und verfügt über eine Kathode, die hauptsächlich aus Nickel, Mangan und Kobalt besteht.

Und genau wie beim Backen beginnt die Herstellung dieser Kathode mit einer Aufschlämmung.

Die einzelnen Mineralien werden abgebaut, zerkleinert, getrennt und konzentriert, um Nickelsulfat, Mangansulfat und Kobaltsulfat in Batteriequalität mit einer Reinheit von 99,99 Prozent herzustellen.

Lithiumerz wird in Lithiumhydroxid umgewandelt und mit jedem dieser Vorläufermaterialien vermischt.

Diese werden dann zusammen mit einem Lösungsmittel zu einer gleichmäßigen Mischung vermischt und auf einen Stromkollektor aus Aluminiumfolie aufgetragen, die dünner als ein menschliches Haar ist.

Diese beschichteten Folien werden gepresst und gebacken. Der Separator wird zwischen der Anode (normalerweise Graphit) und der Kathode geschichtet und dann werden diese zu einer Spirale gewickelt, bevor sie in ein zylindrisches Zellgehäuse geschoben werden.

Der Elektrolyt wird in die Zelle eingespritzt, die dann geladen und entladen wird, um die Zellkapazität zu testen und zu bewerten.

Schließlich werden diese Zellen zu Stapeln zusammengefasst, die wiederum zu Racks zusammengebaut und mit dem elektronischen System verbunden werden, das ihre Ladung und ihren Zustand überwacht und die Leistungsabgabe steuert.

Klingt einfach, oder?

Bedenken Sie nun, dass die Fertigstellung nur eines Teils eines dieser Schritte eine eigene Einrichtung in Höhe von mehreren Millionen Dollar erfordert.

In Kwinana wird zerkleinertes Lithiumerz in Lithiumhydroxid umgewandelt, indem es bei hoher Temperatur in konzentrierter Schwefelsäure gelöst wird.

Zur Eisenextraktion werden leistungsstarke Magnete eingesetzt, um sicherzustellen, dass das Endprodukt bis zu einer Milliarde Teile eisenfrei ist.

Der Bau dieser Kwinana-Anlage, die einen kleinen Teil des gesamten in WA geförderten Lithiums raffiniert, kostete 1 Milliarde US-Dollar.

Die von Recharge Industries geplante „Gigafactory“ in Geelong, die Lithium-Ionen-Zellen herstellen und zu Batterien zusammenbauen soll, erfordert eine Investition von 4,8 Milliarden US-Dollar über einen Zeitraum von sieben Jahren, sagt CEO Rob Fitzpatrick.

„Das Ausmaß und die Größe sind atemberaubend“, sagt Herr Fitzpatrick.

„Für eine Jahresproduktion von 6 GWh sind es acht Jumbo-Jets in der Länge und zwei Jumbo-Jets in der Breite.“

Diese jährliche Produktionszahl ist ein Bruchteil des prognostizierten Speicherbedarfs Australiens bis 2030.

„Der weltweite Bedarf wird zu diesem Zeitpunkt voraussichtlich zwischen 3.500 und 8.800 Gigawattstunden liegen.“

Die Herstellung von Batterien ist technisch anspruchsvoll, aber das ist nicht der Grund, warum das Wachstum der Branche gebremst wird, sagen Experten.

Die größte Hürde ist der Zugang zu Kapital.

Hersteller haben ein Henne-Ei-Problem: Um Batteriezellen herzustellen, benötigen sie Zugang zu Batteriemineralien.

Aber die Batteriemineralien, die Australien produziert, wurden bereits von Batterieherstellern im Ausland im Rahmen mehrjähriger Abnahmeverträge gekauft.

Um Kapital für den Ausbau der Batteriemineralienproduktion zu erhalten, muss ein Hersteller der Bank nachweisen, dass eine Nachfrage für dieses Produkt besteht. Dies geschieht durch den Verkauf dessen, was es angeblich in Zukunft produzieren wird.

Australische Batteriehersteller können sich diese Abnahmeverträge nicht sichern, da sie noch keine Batterien hergestellt haben.

„Es dauert zwischen drei und fünf Jahren, bis Ihre [Batteriemineralien]-Abnahme verkauft ist … damit eine australische Bankfazilität [diese Erweiterung] unterstützen kann“, sagt Brian Craighead von Renaissance Energy.

„Sie haben alle größtenteils das gleiche Problem, das kein technisches Problem ist. Es ist ein kommerzielles Problem.“

Renaissance hatte geplant, Lithium-Ionen-Zellen in Australien herzustellen, konnte sich jedoch keine Quelle für Batteriematerialien sichern. Stattdessen baut es Batterien aus importierten Lithium-Ionen-Zellen zusammen und plant, eines Tages eigene Batterien herzustellen.

Recharge plant unterdessen, die meisten seiner Batteriemineralien im Ausland zu kaufen, bis es sie vor Ort beschaffen kann.

CEO Rob Fitzpatrick sagt, die Branche stecke in einer Schleife fest, in der sie Kapital jage, aber nicht in der Lage sei, ihr Produkt zu beweisen oder nachzuweisen, dass sie Kunden habe.

„Es ist eine absolut atemberaubende Zahlenlage, diese [Fertigungs-]Fähigkeit schaffen zu können“, sagt er.

„[Und die Bank] wird fragen: ‚Wer sind Ihre Kunden?‘ Kunden werden sagen: ‚Zeigen Sie mir ein Produkt‘. Aber Sie können keine Produkte herstellen, solange Sie nicht über Kapital verfügen.“

Er sagt, eine Lösung hierfür bestünde darin, dass die Regierung eingreift und vor privaten Investoren eine Anschubfinanzierung bereitstellt.

Dies könnte ein Schwerpunkt der nationalen Batteriestrategie der Bundesregierung sein, die noch in diesem Jahr erwartet wird.

Die AMWU WA unterstützt unterdessen die Idee, dass die Regierung die Infrastruktur aufbaut, die beispielsweise für die Herstellung von Batteriechemikalien oder die Herstellung von Zellen erforderlich ist, und diese dann an Unternehmen vermietet.

Diese staatseigenen „Common-Use-Einrichtungen“ würden kleine und mittlere Unternehmen dazu ermutigen, Ideen zu testen und ihre Produkte zu entwickeln, ohne zuerst viel Kapital aufbringen zu müssen, sagt Steve McCartney von der AMWU WA.

„Mit dieser gemieteten Infrastruktur werden [sie] dort hineingehen und zeigen, was sie können.“

„So minimieren wir das Risiko.“

Vor zwei Wochen kündigte die Regierung von Washington Pläne zur Finanzierung der größten Batterie Australiens (2.000 Megawattstunden) im Kohlezentrum Collie an.

Zusammen mit einer zweiten, kleineren Batterie in Kwinana wird es den Staat 2,8 Milliarden US-Dollar kosten.

Keines von beiden wird im Wesentlichen in Australien gebaut.

„Ich bin enttäuscht, dass die beiden größten Batterien in WA nicht in WA hergestellt werden“, sagt McCartney.

„Wir müssen sicherstellen, dass wir über eine florierende Industrie verfügen, bis alle diese Batterien ausgetauscht werden müssen.“

Laut FBI CRC könnte Australien in zehn Jahren über eine vollständige End-to-End-Wertschöpfungskette für Lithium-Ionen-Batterien verfügen, die in großem Maßstab funktioniert.

In einem im März veröffentlichten Bericht prognostiziert das CRC zwei Szenarien für 2030. In einem davon gräbt Australien hauptsächlich unverarbeitete Batteriemineralien ab und exportiert sie, wie es derzeit der Fall ist.

Auf der anderen Seite erfolgt eine Diversifizierung in die Raffinerie, Zellherstellung und Batteriemontage, während der Bergbau weiterhin betrieben wird.

Die Branche wäre in diesem zweiten Szenario 16,9 Milliarden US-Dollar wert, etwa ein Drittel mehr als im ersten, prognostiziert das CRC.

Es würde auch etwa doppelt so viel BIP und doppelt so viele Arbeitsplätze generieren, heißt es.

Da Materialien und Energie den größten Teil der Kosten einer Batterie ausmachen und nicht die Arbeitskosten, könnte Australien einige der billigsten Batterien der Welt herstellen, sagt Shannon O'Rourke vom FBI CRC.

„Australien ist das einzige Land der Welt, das über große Ressourcen aller benötigten kritischen Mineralien verfügt“, sagt er.

„Wir sind der einzige Standort, der über Mineralien, billige Energie und industrielle Infrastruktur verfügt, um unsere heimische Produktion vertikal zu integrieren und mit China zu konkurrieren.“

Rob Fitzpatrick von Recharge sagt auch, dass Australien billigere Batterien herstellen kann als andere Länder.

„Wir glauben, dass wir auf der Grundlage der Stückliste, der Chemie und der Komponenten, einen Kostenvorteil haben“, sagt er.

Ein in den 1980er Jahren von einem australischen Professor erfundener Batterietyp wird als nächste große Technologie für die Energiespeicherung im Netz angepriesen.

Die meisten Batterien, die Australien herstellen könnte, würden als Speicher für Energienetze und nicht für Elektrofahrzeuge dienen, sagt Adam Best vom CSIRO.

In Australien werden keine Autos in großem Maßstab hergestellt, und Autohersteller siedeln ihre Automobilfabriken gerne neben den Batteriefabriken an.

„Es gibt einen großen Exportmarkt für stationäre Speicher für Südostasien und den Pazifik“, sagt er.

Und wie das CRC geht er davon aus, dass der Großteil der Einnahmen aus einem „Sweet Spot“ in der Wertschöpfungskette stammt, rund um den Bergbau, die Raffination und die Herstellung von Batteriechemikalien.

Aber abgesehen vom Geld wäre es eine gute Sache, eine staatliche Batteriefertigung zu haben, fügt er hinzu.

Bald werden die meisten der beiden Hauptstromnetze Australiens mit Strom versorgtvonerneuerbare Energien, was bedeutet, dass sie auf Batterien und andere Speicher angewiesen sein werden.

„Wenn alles schief geht, müssen wir wissen, wie man Batterien herstellt“, sagt Herr Best.

Zum ersten Mal seit Jahrzehnten sprechen Landes- und Bundesregierungen davon, dass die verarbeitende Industrie eine Lösung für Wachstum, Arbeitsplätze und Energiesicherheit sei und nicht eine sterbende Industrie, die gerettet werden müsse.

„Wenn man bedenkt, wie wir in den 1990er-Jahren aufgeräumt wurden und alles ins Ausland verlagert wurde, ist das Musik in meinen Ohren“, sagt McCartney.

„Ich denke, jeder ist von den Möglichkeiten begeistert.“

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