Akkutechnik: Kobaltfreie Lithiumakkus ohne Leistungsverlust demonstriert

Moderne Lithium-Ionen-Akkus benötigen nur noch wenige Prozent Kobalt, nun wurde gezeigt, wie auch in Hochleistungsakkus der Anteil auf null sinken kann.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 20. Juli 2020, 15:29 Uhr

Chemikern ist es gelungen, eine kobaltfreie Lithiumkathode zu entwickeln. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Die ersten Lithium-Ionen-Akkus nutzten Kathoden aus reinem Kobaltoxid. Aber durch die immer größere Nachfrage wurde der Stahlveredler Kobalt bald zum knappen Gut. Inzwischen wurde der Kobaltanteil in den Akkus auf wenige Prozent reduziert, aber der vollständige Verzicht auf Kobalt war bislang immer mit Verlust an Kapazität, Leistungsabgabe oder Zyklenfestigkeit verbunden. Forscher der Universität Texas fanden nun ein Kathodenmaterial, das Kobalt ohne diese Kompromisse durch Nickel, Mangan und Aluminium ersetzt.

Das Kathodenmaterial ist entscheidend für die Spannung, die zwischen Kathode und Anode aufgebaut werden kann. Lithiumionen im Elektrolyt reagieren beim Entladen des Akkus mit dem Kathodenmaterial und nehmen dabei Elektronen von der negativ geladenen Anode auf. Diese Elektronen werden in der Anode frei, wenn die dort gespeicherten neutralen Lithiumatome in Form von positiven Lithiumionen im Elektrolyt freigesetzt werden. Beim Laden des Akkus wird die umgekehrte Spannung angelegt und so der Prozess umgekehrt.

Wie in anderen Lithium-Ionen-Kathoden wird auch in der neuen Kathode der größte Teil des Metalls im Kobaltoxid durch Nickel ersetzt, das darin etwa 89 Prozent des Metalls ausmacht, vom Lithium einmal abgesehen. Üblich sind sonst Beimengungen von Mangan und Kobalt in sogenannten NMC-Kathoden. Die Metalle sollen das Nickel während des Ladevorgangs stabilisieren, wenn das Lithium beim Ladevorgang aus dem Kristallgitter der Kathode entfernt wird. Sonst kommt es während des Vorgangs zu mehreren Strukturumwandlungen, die nicht nur zu Spannungsverlusten führen, sondern auch das Material beschädigen.

Mangan kann zur Selbstzerstörung führen

NMC-Kathoden werden vor allem verwendet, weil Nickel-, Mangan- und Kobaltoxid chemisch relativ einfach miteinander gemischt erzeugt werden können, ohne den Produktionsprozess zu verändern. Aber Nickel und Mangan bilden ohne Kobalt keine ausreichend stabile Kathode, so dass zwar auf bis zu 90 Prozent des Kobalts verzichtet werden konnte, aber nicht auf 100 Prozent. Denn Mangan erleichtert die Vermischung von Lithium und Nickel, das sich dann beim Ladevorgang aus der Kathode lösen kann, womit sich im Laufe der Zeit der Akku selbst zerstört.

Deshalb wurde bei Kathoden mit hohem Nickelanteil eher auf das Mangan verzichtet als auf einen kleinen Restanteil von Kobalt. Der kann sogar auf rund 5 Prozent gesenkt werden, aber dann reicht das Kobalt allein nicht aus, um die Kathode zu stabilisieren, weshalb trotz der chemischen Probleme erfolgreich neue Verfahren zur Mischung mit Aluminium und anderen Stoffen eingeführt wurden.

Aluminium stabilisiert Mangan und Nickel

In ihren Untersuchungen fanden die Forscher in Texas nun aber heraus, dass das Aluminium die Vermischung von Nickel mit Lithium stärker behindert, als sie vom Mangan gefördert wird. Das Resultat ist eine Kathode, die in Laborversuchen eine mit anderen Hochleistungskathoden vergleichbare Kapazität, Leistungsabgabe und Zyklenfestigkeit hat, ganz ohne Kobalt. Leichte Abstriche von etwa 2 Prozent Kapazität werden dabei durch eine um etwa ein Prozent höhere Spannung und etwas kleinere Verluste nach etwa 1.000 Ladezyklen wieder wettgemacht.

Die Forscher erwarten nicht, dass die Technik das Kobalt in allen Lithium-Ionen-Akkus ersetzen wird, zumal die Produktion chemisch etwas aufwendiger ist. Die neue Mischung stellt aber eine Alternative für Anlagen dar, die schon jetzt mit diesem höheren Aufwand Nickel-Kobalt-Aluminium-Kathoden herstellen. Für Anwendungen, die nicht auf maximale Energiedichte angewiesen sind, aber viel Leistung in vielen Ladezyklen abgeben müssen, gibt es mit Lithium-Eisenphosphat-Akkus schon lange kobaltfreie Alternativen. Derweil gibt es immer größere Anstrengungen, das Lithium in Akkus durch Natrium zu ersetzen, die auch weniger Nickel benötigen.