Welche Klassifizierung sind lith
iumbatterien?
Lithiumbatterien werden hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt
nach Anwendungsszenarien
, die auch die drei Hauptabschnitte dieses Artikels sind:
Verbraucherbatterien
,
Strombatterien
, Und
Energiespeicherbatterien
.
I. Verbraucherbatterien
Wird hauptsächlich in 3C-Produkten wie Mobiltelefonen, Laptops und Tablets verwendet, wobei der Schwerpunkt auf Portabilität, hoher Energiedichte und Schnellladefunktionen liegt.
1. Klassifizierung: Sekundäre Lithiumbatterien sind die Mainstream-Produkte der aktuellen Verbraucherbatterien
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Primärbatterien: Zink-Mangan-Batterien, alkalische Zink-Mangan-Batterien, Lithium-Primärbatterien (Lithium-Mangandioxid; Lithium-Thionylchlorid; Lithium-Eisendisulfid).
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Sekundärbatterien: Blei-Säure-Batterien, Nickel-Chrom-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien.
2. Drei Arten von Packformen von Verbraucherbatterien
Bei Lithiumbatterien für Verbraucher werden derzeit meist Polymer-Lithium-Batterien verwendet.
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Projekt
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Prismatische Batterie
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Zylindrische Batterie
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Polymerbatterie
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Batteriefach
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Stahl- oder Aluminiumgehäuse
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Stahl- oder Aluminiumgehäuse
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Aluminium-Kunststoff-Folie
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Vorteile
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Niedriger Batterieinnenwiderstand; einfacher Packvorgang; große Zellkapazität
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Ausgereifter Produktionsprozess, hohe Ausbeute und Konsistenz; hohe Sicherheit; breite Anwendungsbereiche; hohe Zellenergiedichte
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Dünn, leicht, geringer Innenwiderstand; hohe Energiedichte des Pakets; hervorragende Sicherheitsleistung, geringes Explosionsrisiko; flexibles Design, an jede Form anpassbar.
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Nachteile
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Geringe Konsistenz, geringe Standardisierung; hohe Anforderungen an die Sicherheitskontrolle
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Hohe Kosten des Pakets; Hohe Anforderungen an die Batterie. Hohe Anforderungen an Batterieanschluss und -verwaltung.
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Geringe mechanische Festigkeit; hohe Herstellungskosten.
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Anwendungsbereiche
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Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge, Energiespeicher
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Personenkraftwagen, Elektrowerkzeuge, Elektrofahrräder, Logistikfahrzeuge, Smart Homes, Energiespeicher
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3C Digitale Produkte, Personenkraftwagen, Energiespeicher
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3. Andere Formen
Knopfzellen werden in Hartschalen-Knopfzellen und Weichschalen-Knopfzellen unterteilt. Die inneren Polstücke von Hartschalen-Knopfzellen werden laminiert und in Stahl- oder Aluminiumschalen verpackt. Weichschalen-Knopfzellen werden gewickelt und in Aluminiumfolie verpackt. Knopfzellen werden hauptsächlich in Bluetooth-Headsets, Schlafkopfhörern und tragbaren Produkten verwendet.
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Speziell geformte Lithiumbatterien
Mit der zunehmenden Größe von Smartphone-Bildschirmen und dem Streben nach Leichtigkeit und Dünnheit verwenden Mobiltelefonhersteller Dual-Cell-Akkus und speziell geformte Akkus, um den Innenraum des Gehäuses optimal zu nutzen. Beispielsweise verwendet das iPhone XS Max eine Dual-Cell-Struktur und das iPhone 11Pro/13Pro eine speziell geformte L-förmige Akkustruktur. Der Aufstieg von Smart-Armbändern und Fingerringen bringt auch neue Anforderungen an die Akkuform mit sich, beispielsweise die Verwendung gebogener Akkus in Smart-Armbändern.
4. Nachgelagerte Anwendungen von Lithiumbatterien für Verbraucher
(1) Laptop-Computer
Smartphones, Tablet-Computer und andere Produkte haben den Absatz von Laptops beeinflusst, es besteht jedoch weiterhin Bedarf an neuen und bestehenden Ersatzgeräten. Da die Anforderungen an die Mobilität von Laptops immer höher werden, werden Lithiumbatterien immer leichter und dünner.
(2) Tablet-Computer
Tablet-Computer sind zwischen Computern und Smartphones angesiedelt. Aufgrund ihrer Mobilität, der einfachen Bedienung und des ansprechenden Aussehens ist die Marktentwicklung stabil.
(3) Smartphones
Der Smartphone-Markt ist ausgereift, der Austauschzyklus ist verlängert und der Markt relativ gesättigt. Die Inflation in Schwellenländern wie dem asiatisch-pazifischen Raum, dem Nahen Osten, Afrika und Lateinamerika hat nachgelassen, was das Wachstum der Mobiltelefonlieferungen bis zu einem gewissen Grad stimuliert.
(4) KI-Mobiltelefone
Intel, Qualcomm, Lenovo, Xiaomi usw. bringen hauptsächlich KI-Mobiltelefone und KI-PCs auf den Markt. Endseitige KI könnte eine neue Ära einläuten. Beispielsweise wurden im ersten Halbjahr 2024 große Modelle mit generativer KI auf den Markt gebracht, darunter Samsung Galaxy S24, Meizu 21 Pro, Xiaomi 14 Ultra und OPPO FindX7.
(5) Tragbare Geräte
Smartwatches, Bluetooth-Headsets, Smartglasses usw. – tragbare Geräte haben als Einstieg in das Internet der Dinge ein großes Wachstumspotenzial.
(6) Markt für Elektrowerkzeuge
Maschinenbau, Gebäudedekoration, Landschaftsbau usw., und zukünftige Anwendungen werden in intelligenten Häusern, tragbaren Energiespeichern, Notfallmaßnahmen und anderen Bereichen liegen.
(7) Elektrische Zweiräder
Das Wachstum der Lieferungen hat sich verlangsamt. China ist der größte Exporteur von elektrischen Zweirädern, und die Exporte steigen weiterhin.
Nordamerika, Europa und Südostasien sind die wichtigsten Zielländer für Chinas Elektrofahrzeugexporte. Chinesische Elektro-Zweiräder sind beim Export in die USA zollfrei. Im Jahr 2023 erreichte Chinas Absatz von Elektro-Zweirädern in die USA 4,564 Millionen Einheiten, was mehr als 30 % der Gesamtexporte entspricht. Viele südostasiatische Länder haben Maßnahmen zur Umstellung von Öl auf Elektrizität eingeführt, um ausländische Marken zum Bau von Fabriken in ihren Regionen zu bewegen.
(8) Drohnen
UAVs werden häufig in der Luftbildfotografie, Fotografie, Landwirtschaft, Vermessung und Kartierung, Meteorologie, Kommunikation, öffentlichen Sicherheit und anderen Bereichen eingesetzt.
Mit über 15 Jahren Erfahrung in der Lithiumbatterieindustrie verfügt ACEY über starke F&E-Kapazitäten und umfangreiche Fertigungserfahrung, die es ermöglichen, leistungsstarke, hochsichere
Komplettlösungen für die Batteriepackmontage
in Anwendungen wie Laptops, Mobiltelefonen, elektrischen Zweirädern und Drohnen usw.
II. Leistungsbatterien
Beim Einsatz in Fahrzeugen wie Elektrofahrzeugen müssen sie die Anforderungen hinsichtlich hoher Leistungsabgabe und großer Reichweite sowie Lebensdauer und Sicherheit erfüllen.
1. Klassifizierung
Leistungsbatterien lassen sich je nach Material der positiven Elektrode hauptsächlich in ternäre Materialien und Lithium-Eisenphosphat-Batterien unterteilen. Je nach Verpackungsmethode und -form unterscheidet man zwischen prismatischen Batterien, Polymerbatterien und zylindrischen Batterien. Ternäre Materialien sind Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid (NCM) oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA). Der größte Unterschied zwischen Softpack-Strukturen und quadratischen und zylindrischen Strukturen liegt in der Schalenform und dem Herstellungsprozess.
2. Entwicklungsgeschichte von Power-Batterien
In der frühen Entwicklungsphase der Branche, als die Energiedichte ein zentrales Anliegen war, dominierten ternäre Kathoden aufgrund ihrer höheren Energiedichte als Lithium-Eisen-Batterien und der größeren Reichweite. Gleichzeitig zeigte sich bei ternären Materialien ein Trend zu höheren Nickelgehalten. Das Verpackungsverfahren für Softpack-Batterien gewann aufgrund seiner hohen Energiedichte und hervorragenden Sicherheit schnell Marktanteile.
In der mittleren Entwicklungsphase der Branche etablierte sich Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) aufgrund seiner hohen Sicherheit und niedrigen Kosten als Standardmaterial. Dank CTP- und modulloser Technologien konnte die Effizienz der Batteriemontage deutlich gesteigert und die Reichweite von LiFePO4-Batterien verbessert werden. Darüber hinaus verbessern Blade-Batterien die Raumausnutzung und Sicherheit und senken so die Batteriekosten. Modullose Konstruktionen (CTP und CTC) steigern ebenfalls die Effizienz der Batteriemontage.
Die Branche hat nun ein reifes Stadium erreicht, mit zunehmend diversifizierten Technologiepfaden und einem neuen Trend zum Hochspannungs-Schnellladen. Batterien erfüllen in der Regel die Anforderungen für eine Reichweite von 600 km, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung von Ladeeffizienz und Sicherheit liegt. Derzeit gewinnt LiFePO4 aufgrund seiner hohen Energiedichte und hervorragenden Sicherheit an Aufmerksamkeit. Auch halbfeste Batterien und Verbundstromkollektoren sowie andere Materialien zur Verbesserung der Batterieleistung gewinnen an Bedeutung. Gleichzeitig bietet die Silizium-Kohlenstoff-Negativelektrode aus Nano-Silizium eine gute Schnellladeleistung und eine hohe Energiedichte. In Bezug auf die Verpackungstechnologie vergrößern technologische Upgrades von CTC und CTB den Z-Achsen-Raum im Auto, verbessern die Lebensdauer und senken die Kosten.
3. Industriekette
(1) Kathodenmaterialien
Ternäres und Lithiumeisenphosphat sind die beiden Haupt
Kathodenmaterialien
für Leistungsbatterien. Ternär kann in NCM Nickel-Kobalt-Mangan und NCA Nickel-Kobalt-Aluminium unterteilt werden.
Aufgrund der starken Prosperität des nachgelagerten Marktes und der Tatsache, dass Lithiumeisenphosphat ternäre Batterien hinsichtlich Energiedichte und Schnellladeleistung übertrifft, sind seine Sicherheits- und Kostenvorteile deutlich spürbar und machen es zum Hauptmaterial für positive Elektroden.
Eine Möglichkeit, die Leistung von Lithiumeisenphosphat-positiven Elektrodenmaterialien zu verbessern, besteht in der Erhöhung der Verdichtungsdichte. Diese bezieht sich auf die Masse des aktiven Materials, das unter bestimmten Druckbedingungen in einer Einheitselektrode enthalten ist. Dies wirkt sich direkt auf die spezifische Kapazität der Elektrode, die Lade- und Entladeeffizienz, den Innenwiderstand und die Batteriezyklusleistung aus. Schnellladebatterien müssen die Elektrodendicke reduzieren, um den Innenwiderstand zu senken und die Laderate zu erhöhen. Gleichzeitig kann durch eine Erhöhung der Verdichtungsdichte die Energiedichte bei geringerer Elektrodendicke beibehalten oder sogar erhöht werden.
Das Versandvolumen ternärer positiver Elektroden wird im Jahr 2024 voraussichtlich 750.000 Tonnen erreichen.
Der Markt für ternäre Positivelektrodenmaterialien ist fragmentiert und der Wettbewerb zwischen den Herstellern ist hart. Im Jahr 2023 beträgt CR3 nur noch 41 %. Die Produktionskapazität für ternäre Positivelektroden wird schrittweise freigegeben und die Branchenkonzentration weiter verbessert.
(2)
Anodenmaterialien
Anodenmaterialien werden in zwei Kategorien unterteilt: Kohlenstoffmaterialien und Nicht-Kohlenstoffmaterialien. Zu den Kohlenstoffmaterialien gehören Graphitmaterialien wie Naturgraphit und Kunstgraphit. Die Schichtstruktur von Graphit-Negativelektroden begünstigt die Einlagerung und Auslagerung von Lithiumionen. Nicht-Kohlenstoffmaterialien umfassen Materialien auf Siliziumbasis, Lithiumtitanat, Zinnbasis, Nitride usw. Siliziumbasierte Materialien gelten aufgrund ihrer hohen theoretischen spezifischen Kapazität (4200 mAh/g), die deutlich über der tatsächlichen Kapazität von Graphit von 360 mAh/g liegt, als die Technologie der nächsten Generation. Gleichzeitig sind siliziumbasierte Materialien reich an natürlichen Ressourcen, kostengünstig und umweltfreundlich.
(3)
Batterieelektrolyt
Der Elektrolyt besteht aus Lithiumsalz, Lösungsmittel und Additiven. Je nach Massenverhältnis macht das Lithiumsalz etwa 10–15 % des Elektrolyten aus, organische Lösungsmittel 80 % und Additive 5–10 %. Der derzeit gängigste gelöste Stoff ist Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6). Unterschiedliche Additivverhältnisse haben einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Elektrolyten, wie z. B. filmbildende Additive, Überladeschutzadditive, Hoch-/Tieftemperaturadditive, Flammschutzadditive und Ratenadditive.
(4)
Separator
Der Separator ist ein entscheidender Bestandteil von Lithiumbatterien und ein Schlüsselmaterial mit den größten technischen Hürden in der Industriekette. Seine Hauptfunktionen bestehen darin, die positiven und negativen Elektroden voneinander zu isolieren, um Kurzschlüsse zu verhindern und einen Weg für die Migration von Lithiumionen während des Ladens und Entladens zu schaffen. Der Separator beeinflusst maßgeblich den Widerstand, die Kapazität und die Lebensdauer der Batterie und bestimmt letztendlich deren Sicherheit.
Die gängigen Separatoren sind Polyolefin-Separatoren, hauptsächlich aus Polypropylen, Polyethylen und Polypropylen-Polyethylen-Verbundwerkstoffen.
Nassbeschichtete Separatoren sind die Zukunft der Separatorentwicklung. Nassbeschichtete Separatoren sind teurer als trockenbeschichtete, bieten jedoch eine verbesserte Porosität und Luftdurchlässigkeit und ermöglichen so dünnere und leichtere Separatoren. Beschichtungstechnologie kann die Durchstoßfestigkeit und Sicherheit nassbeschichteter Separatoren verbessern. Die Beschichtungsmaterialien sind vielfältig und umfassen Keramik, PVDF und Aramid.
4. Zukünftige Richtung der Technologieentwicklung
(1) Festkörperbatterie
Bezieht sich auf die Verwendung von Festelektrolyten anstelle des Elektrolyten und der Membran herkömmlicher Lithiumbatterien, um Ionenübertragung und Ladungsspeicherung zu erreichen. Festkörperbatterien werden nach dem Massenanteil des Elektrolyten in Halbfestkörperbatterien (Elektrolytgehalt 5–10 %), Quasifestkörperbatterien (0–5 %) und Festkörperbatterien (0 % Elektrolyt) unterteilt. Das heißt, die positiven und negativen Elektroden sowie die Elektrolyte von Festkörperbatterien bestehen alle aus festen Materialien.
Festkörperelektrolyte sind der technische Schlüssel zu Festkörperbatterien. Der ideale Festkörperelektrolyt sollte eine vernachlässigbare elektronische Leitfähigkeit, eine ausgezeichnete Lithiumionenleitfähigkeit, gute chemische Verträglichkeit, Stabilität und kostengünstige Großserienproduktion aufweisen. Zu den gängigen Elektrolyten gehören: Sulfide, Oxide, Metallhalogenide und Polymere.
Zu den Materialien für die negative Elektrode von Festkörperbatterien gehören hauptsächlich drei Kategorien: die negative Elektrode aus metallischem Lithium, die negative Elektrode aus der Kohlenstoffgruppe und die negative Elektrode aus Oxid.
Herkömmliche Flüssiglithiumbatterien verwenden hauptsächlich Materialien der Kohlenstoffgruppe (wie Graphit) als negative Elektroden, sind jedoch durch die kohlenstoffbasierte spezifische Kapazität begrenzt, und der zukünftige Entwicklungsspielraum ist begrenzt. Siliziumbasierte negative Elektrodenmaterialien haben eine hohe theoretische spezifische Kapazität und sind eine wichtige Richtung für die Iteration von negativen Elektrodenmaterialsystemen. Siliziumbasierte Materialien erfahren jedoch eine starke Volumenausdehnung beim Laden und Entladen, und ihre Zyklusleistung verschlechtert sich. Dies kann durch Kohlenstoffbeschichtung, Nanomaterialisierung und andere technische Mittel verbessert werden. Metallische Lithium-negative Elektroden gelten aufgrund ihrer extrem hohen theoretischen spezifischen Kapazität als das ultimative Ziel, stehen jedoch vor Herausforderungen hinsichtlich des Lithiumdendritenwachstums und der chemischen Stabilität.
Die Materialien für positive Elektroden von Festkörperbatterien konzentrieren sich hauptsächlich auf ternäre positive Elektroden mit hohem Nickelgehalt, Lithium-Nickel-Manganoxid und lithiumreiche Mangan-basierte Verfahren.
(2) Recycling von Strombatterien
Derzeit werden die Methoden des Batterierecyclings hauptsächlich in Kaskadennutzung und Demontagerecycling unterteilt.
Kaskadennutzung bezeichnet die Verarbeitung ausgedienter Batterien mit hoher Restkapazität, die den Nutzungsanforderungen für die Zweitverwendung entsprechen, z. B. für Energiespeicher, langsame Fahrzeuge, Basisstationen usw. Lithium-Eisenphosphat-Batterien weisen im Allgemeinen eine gute Zyklenlebensdauer und eine gute thermische Stabilität auf und sind daher besser geeignet. Demontagerecycling bezeichnet die prozesstechnische Nutzung ausrangierter Batterien, um Metalle wie Nickel, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium und Lithium in der Batterie zurückzugewinnen und diese Materialien anschließend zu recyceln. Ternäre Batterien weisen einen hohen Gehalt an seltenen Metallen, einen hohen Recyclingwert, eine geringe Zyklenlebensdauer und eine schlechte thermische Stabilität auf und sind daher besser geeignet.
Wenn die Kapazität einer Power-Batterie unter 80 % fällt, kann sie nur noch recycelt werden. Die recycelte Batterie muss Vorentladung, Demontage, Trennung und andere Vorverarbeitungsprozesse durchlaufen. Derzeit gibt es drei Recyclingmethoden: Pyrolyse, Nassrecycling und biologisches Recycling. Beim Nassrecycling wird das Material der positiven Elektrode mit einer speziellen Lösung ausgelaugt, sodass das wertvolle Metall in Form von Ionen im Lösungsmittel gelöst wird. Anschließend werden die Metallionen durch chemische Fällung, Lösungsmittelextraktion und andere Methoden abgetrennt und gereinigt. Nassrecycling ist auch im späteren Stadium der Pyrolyse zur Trennung und Extraktion der Metallelemente erforderlich. Biologisches Recycling zeichnet sich durch einen langen Kultivierungszyklus aus.
(3) Verbundstromkollektor
Das traditionelle
Batteriestromabnehmer
ist reine Kupferfolie oder Aluminiumfolie. Der Verbundstromkollektor ist ein neues Material, das durch gleichmäßiges Aufbringen von Kupfer auf die Oberfläche von Substraten mittels Magnetronsputtern und anderen Verfahren auf die Oberfläche von Kunststofffolien (PET, PP und anderen Materialien) hergestellt wird. Bei einem Kurzschluss der Batterie schmilzt die Polymerschicht in der Mitte des Verbundstromkollektors und erzeugt einen Kurzschluss. Dadurch wird der Kurzschlussstrom unterdrückt, das thermische Durchgehen der Batterie kontrolliert und das Problem von Explosionen und Bränden der Batteriezelle grundlegend gelöst. Darüber hinaus ist Verbundkupferfolie kostengünstiger und leichter als herkömmliche Kupferfolie und erhöht die Energiedichte der Batterie um über 5 %.
III. Energiespeicherbatterien
Diese Batterien werden in Szenarien wie der Kappung von Netzspitzen, der Speicherung von Energie im Haushalt sowie der Speicherung von Energie in Gewerbe und Industrie eingesetzt. Sie erfordern lange Lade- und Entladezeiten (über 2 Stunden), legen Wert auf Lebensdauer und Kosteneffizienz und haben geringere Anforderungen an die Energiedichte.
Daten deuten darauf hin, dass die Lieferungen von Lithium-Speicherbatterien im Jahr 2024 320 GWh übersteigen werden, was einer Wachstumsrate von über 50 % entspricht. Hinsichtlich der Lieferstruktur werden Stromspeicherzellen mit über 80 % weiterhin die wichtigste Lieferquelle bleiben. Davon erreichten die Lieferungen von Stromspeicherbatterien rund 280 GWh, was einer Wachstumsrate von über 65 % entspricht; die Lieferungen von Haushaltsspeicherbatterien erreichten rund 26 GWh, was einer Wachstumsrate von über 30 % entspricht; und die Lieferungen von gewerblichen und industriellen Stromspeicherbatterien erreichten rund 10 GWh, was einer Wachstumsrate von über 40 % entspricht. Lithium-Eisenphosphat-Batterien machen über 90 % der gelieferten Zellen aus und sind die gängige Technologie.
Die weltweiten Lieferungen von Lithium-Speicherbatterien werden bis 2024 voraussichtlich um 55 % gegenüber dem Vorjahr steigen. Chinesische Unternehmen stellen dabei über 90 % der weltweiten Produktionskapazität. Gemessen an den Lieferungen von Energiespeichern für Privathaushalte sind 50-100-Ah-Batterien der Mainstream auf dem Markt. 80 % benötigen eine Lebensdauer von 6.000 Zyklen, High-End-Produkte erreichen 10.000 Zyklen.
Derzeit stellen etablierte Hersteller von 280-Ah-Zellen auf 314-Ah-Zellen um. Laut GGII-Daten liegt die Kapazitätsübergangsrate bei 52 %. Da Gehäuse, Struktur und Abmessungen der beiden Batterien unverändert bleiben, können führende Unternehmen weiterhin 280-Ah-Produktionslinien nutzen, wobei sich vor allem Prozesse und Materialien ändern.
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