Akkutechnik: Cuberg hat keinen Festkörperakku und trotzdem 380 Wh/kg

Die Akkus sollen wie normale Lithium-Ionen-Akkus hergestellt werden, aber trotzdem das Lithium als Metall speichern. Das hat Vor- und Nachteile.

Eine Analyse von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 28. Juli 2022, 14:00 Uhr

Cuberg soll schon rund 2.000 solcher Akkuzellen ausgeliefert haben. (Bild: Cuberg)

Bei Akkus mit hoher Energiedichte ist meistens von Festkörperakkus die Rede. Aber die amerikanische Firma Cuberg, eine Tochterfirma der schwedischen Firma Northvolt, verfolgt einen anderen Ansatz und hat vor kurzem eine Reihe unabhängiger Testergebnisse ihrer Akkus vorgelegt. Die getesteten Akkus erreichten eine Energiedichte von 380 Wh/kg und behielten nach 672 Ladezyklen noch 80 Prozent ihrer Kapazität. Eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu 2020, damals waren es noch 360 Wh/kg und rund 370 Zyklen.

Das niedrige Gewicht der Akkuzellen kommt vor allem durch den Verzicht auf Graphit in der Anode zustande. Genau wie in den meisten Festkörperakkus wird das Lithium stattdessen beim Laden der Akkus als reines Metall gespeichert. Dabei verfolgt Cuberg den Ansatz lokal hochkonzentrierter Elektrolyte (engl.: Localized High-concentration Electrolytes - LHCE), um die Entstehung von Metallnadeln während des Ladevorgangs zu verhindern.

LHCE sind in der Forschung ein gut bekannter Ansatz zur Nutzung von Lithiummetallanoden. Dabei wird ein Elektrolyt mit zwei Lösungsmitteln verwendet, wobei Lithiumsalze nur in einer der Komponenten gut löslich sind. Mitbewerber wie Solid Power oder Quantumscape setzen dagegen auf feste Elektrolyte, die durch reine Festigkeit des Materials verhindern sollen, dass die Metallnadeln das Innere des Akkus durchdringen und Kurzschlüsse verursachen können. Feste Elektrolyte verursachen auch weniger unerwünschte chemische Nebenreaktionen.

Einfache Herstellung, aber langsame Ladegeschwindigkeit

Der LHCE-Ansatz hat den großen Vorteil, dass viele Arbeitsschritte beim Bau der Akkus mit herkömmlicher Technik durchgeführt werden können. So gibt es etwa keine dünnen Keramikscheiben, die in großen Fabriken quadratkilometerweise fehlerfrei hergestellt und verarbeitet werden müssten. Wie die Lithiumschicht auf die Kupferfolie der Anode aufgebracht und verarbeitet wird, sagt das Unternehmen allerdings nicht. Die Verarbeitung besonders dünner Lithiumfolien oder Schichten ist noch kein Industriestandard und oft problematisch.

Außerdem ist die Effektivität der Technik wohl begrenzt. Wird der Akku zu schnell geladen, verlieren solche Akkus stark an Kapazität und es könnten sich dennoch Metallnadeln bilden. Im Testprotokoll wurden die Akkus jedenfalls über 2 Stunden mit einer Laderate von 0,5C geladen. Welcher Ladestand in der Praxis nach 30 oder 60 Minuten erreicht werden könnte, ist den Angaben des Unternehmens nicht zu entnehmen. Aus der Forschung ist aber bekannt, dass das Konzept beim Schnellladen große Probleme verursacht.

Die 380 Wh/kg liefert der Akku nur, wenn er sehr langsam mit 0,05C entladen wird, also konstant über einen Zeitraum von 20 Stunden. Sehr niedrige Entladeraten sind für solche Angaben der Energiedichte aber normal. Jedoch fällt die Energiedichte schon bei einer Entladung mit einer Entladerate von 1C, also der vollständigen Entladung in einer Stunde, auf 330 Wh/kg ab und bei 6C (10 Minuten) sogar auf 260 Wh/kg. Für herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus sind solche Werte dennoch schwer erreichbar.

Außerdem beziehen sich alle Angaben nur auf Zimmertemperatur. Bei höheren Temperaturen fallen die Verluste im Test beim Entladen in kurzer Zeit kleiner aus. Vermutlich könnten vorgewärmte Akkus auch schneller geladen werden, allerdings fehlen dazu technische Angaben und das Ladeverhalten der Akkus lässt sich wegen der unkonventionellen Chemie und der Sicherheitsanforderungen nicht notwendigerweise vom Verhalten anderer Akkus ableiten.