Akkutechnik: Cuberg hat keinen Festkörperakku und trotzdem 380 Wh/kg
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.(öffnet im neuen Fenster) 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(öffnet im neuen Fenster) 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.
Fast 2000 Akkuzellen ausgeliefert aber noch keine Massenfertigung
Zur Energiedichte bezüglich des Volumens gibt es bei der aktuellen Generation der Akkus von Cuberg keine Angaben. In dem nur noch auf Archive.org verfügbaren Protokoll(öffnet im neuen Fenster) der letzten Akkugeneration fiel sie mit rund 660 Wh/l bei 360 Wh/kg recht bescheiden aus. Die Zellen waren also genauso groß wie herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus, dafür aber deutlich leichter. Das kann sich in der zweiten Generation etwas verbessert haben.
Die Herstellung von dünnen Lithiummetallschichten auf Kupferfolie ist noch immer kein Standardverfahren. Wegen der mit 0,5 g/cm³ sehr geringen Dichte von Lithium haben Probleme in dem Bereich zwar wenig Einfluss auf das Gewicht, aber ein deutlich größeres Volumen und einen höheren Lithiumverbrauch zur Folge. Ein hohes Volumen könnte aber auch durch einen ungewöhnlich dicken Separator entstehen, um mehr Sicherheit für den Fall zu haben, dass sich dennoch Metallnadeln auf der Metallanode bilden. Das würde auch den hohen Innenwiderstand erklären, der jedoch auch eine Eigenschaft des speziell angepassten Elektrolyts sein kann.
Die Firma soll bis Juli 2022 bereits fast 2.000 Akkuzellen an Kunden ausgeliefert haben, vermutlich hauptsächlich zu Testzwecken. Dabei handelt es sich um kleine Zellen mit 5 Ah Kapazität. Es ist noch lange keine Massenfertigung, aber deutlich mehr als nur die Fertigung einzelner Laborexemplare. Cuberg hat bereits größere Zellen mit 20 Ah hergestellt, aber noch nicht von unabhängigen Stellen testen lassen. Sie sollen eine Energiedichte von 405 Wh/kg erreichen.
Cuberg sucht nach passenden Anwendungen
Das entspricht dem Rahmen der Erwartungen beim Übergang auf ein größeres Zellformat, in dem durch weniger Verschnitt und Verpackung viel Gewicht eingespart werden kann. Die Firma SES konnte mit ihren 100 Ah sogar 417 Wh/kg erreichen,(öffnet im neuen Fenster) was in etwa auch von der Technik von Cuberg zu erwarten wäre, falls die Firma ein so großes Format entwickeln sollte.
Die Akkus sollen vor allem dort zum Einsatz kommen, wo niedriges Gewicht mehr gefragt ist als ein besonders kompaktes Format und kurze Ladezeit. Cuberg stellt vor allem elektrische Flugzeuge in den Vordergrund. Für Elektroautos müsste wohl vor allem die Lebensdauer nochmals auf etwa 1.000 Ladezyklen erhöht werden. Dagegen spricht wegen der aktuellen Rohstoffknappheit aber zunächst auch der höhere Lithiumverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Akkus mit Graphitanode.
Die wichtigste Hürde für Cuberg wird aber die Massenfertigung der Zellen sein. Die vorhandenen Anlagen sollen zwar in der Lage sein, mehrere Tausend Zellen pro Monat herzustellen, aber das entspricht in Anbetracht der Größe der aktuellen Zellen kaum mehr als einer Megawattstunde pro Jahr. Damit ist das Unternehmen im Rückstand gegenüber Solid Power oder SES, könnte ihn aber aufholen, sofern die Herstellung der Akkus tatsächlich mehr Gebrauch von vorhandener konventioneller Technik in der Akkuherstellung machen kann.
Nicht zuletzt könnte ein Erfolg der Technologie von Cuberg in der Industrie auch mehr Interesse an der Entwicklung der gleichen Technologie mit Anoden aus Natrium wecken, für die in der Forschung bereits ähnlich große Anstrengungen wie mit Lithium unternommen werden.(öffnet im neuen Fenster)