Akkuforschung: Keine Superakkus, sondern einfach bessere Kathoden

Die großen Herausforderungen der Forschung an Akkus sind mehr Energiedichte und weniger Abhängigkeit von Rohstoffen.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 21. Januar 2021, 11:59 Uhr

In Zukunft sollen Akkus mit besserer Chemie noch mehr Energie speichern. (Bild: Tesla / Screenshot (Golem.de))

Auch 30 Jahre nach Einführung der ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Akkus ist die Chemie noch längst nicht ausgereizt. Während Ingenieure daran arbeiten, praktisch immer mehr der theoretischen Möglichkeiten aus den Zellen herauszuholen, arbeiten Chemiker daran, die theoretischen Möglichkeiten zu verbessern. Im Fokus steht dort die Kathode, das Herzstück des Akkus. Dort finden die chemischen Reaktionen der Energiespeicherung statt. Die Kathode bestimmt die maximale theoretische Energiedichte und hat den größten Anteil an Gewicht und Materialkosten vieler herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus.

Noch immer werden neue Materialien gefunden, mit denen Akkus gleichzeitig eine höhere theoretische Energiedichte liefern können, weniger seltene Materialien benötigen und zu niedrigeren Kosten hergestellt werden können. Andere Materialien sollen ohne Rücksicht auf Kosten und Rohstoffverbrauch vor allem mehr Leistung in Spezialanwendungen liefern. Umgekehrt ist die Vermeidung von Lithium und anderer Rohstoffe, die knapp sind oder deren Abbau umweltschädlich ist, fast nochmal eine eigene Forschungsrichtung. Natrium-Ionen-Akkus sollen helfen, eine Lithium-Knappheit zu vermeiden, bevor sie auftaucht.

Eine solche Knappheit drohte beim Kobalt. Aber schon in den letzten Jahren konnte in den Kathoden von Lithium-Ionen-Akkus der Anteil an Kobalt immer weiter reduziert werden. Ein kompletter Verzicht ist dabei chemisch durchaus möglich. Dafür sprechen nicht nur die hohen Kosten, sondern auch die oft schlechten Abbaubedingungen.

Für den Verzicht auf Kobalt gibt es zwei Möglichkeiten. Die erste ist Lithium-Eisenphosphat. Es wird längst in besonders kostengünstigen Akkus für Autos, Busse und andere Anwendungen verwendet. Die besten Zellen mit diesem Material haben derzeit nur etwa zwei Drittel der Energiedichte anderer Lithium-Ionen-Batterien, sind dafür aber 10 bis 20 Prozent billiger. Aber Kobalt kann auch ohne diesen Kompromiss vermieden werden.

Nickel ersetzt Kobalt, Mangan ersetzt Nickel

In Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid-Kathoden (NCA), die derzeit die höchste Energiedichte bieten, kann Kobalt komplett durch Nickel ersetzt werden, ohne dass dabei Energiedichte oder Haltbarkeit verloren geht. Allerdings kann die Verfügbarkeit ausreichender Mengen reinen Nickels zum Flaschenhals werden, wenn die Produktionskapazitäten weiter ausgebaut werden. Deshalb will etwa Tesla in den Mittelklassefahrzeugen ein Drittel des Nickels durch billigeres und besser verfügbares Mangan ersetzen, mit leichten Einbußen der Energiedichte.

Aber die Forschung beschränkt sich nicht auf die Vermeidung von Kobalt und die Vermeidung von Speicherverlusten durch die Vermeidung von Kobalt. Die Energiedichte von Kathoden kann noch gesteigert werden, auch wenn zurzeit Verbesserungen der Akkukonstruktion und der Anoden im Vordergrund stehen. 2020 wurden große Fortschritte bei der Untersuchung und kontrollierten Nutzung anionischer Redoxreaktionen in Kathoden gemacht, die von Anfang an ohne Kobalt auskommen.

Diese anionischen Redoxreaktionen sind die Grundlage für sogenannte lithiumreiche Kathoden, die 20 bis 40 Prozent mehr Energie speichern können als herkömmliche Kathoden. Dabei reagiert das Lithium mit dem Sauerstoff in der Kathode, weshalb weniger Metall benötigt wird und auch nur ein Sechstel der Menge an Nickel, der Rest des Metalls ist Mangan. Gleichzeitig konnten damit auch Kathoden für Natrium-Ionen-Akkus entwickelt werden, wobei die Erkenntnisse vom Natrium auch beim Lithium weiterhalfen.