Akkutechnik: Niobsbotschaft von Toshiba

Ein Elektroauto in sechs Minuten laden. Toshiba will das in zwei Jahren durch Akkus mit Titan-Niob-Anoden möglich machen. Wo die Probleme liegen, steht zwischen den Zeilen der Pressemeldung.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 5. Oktober 2017, 16:20 Uhr

Der Prototyp eines neuen Schnellladeakkus von Toshiba (Bild: Toshiba)

Kurze Ladezeiten sind für Akkus von Elektroautos wichtig. Toshiba will in zwei Jahren Akkus auf den Markt bringen, die innerhalb von sechs Minuten geladen werden können. Laut einer Pressemitteilung des Konzerns soll die Akkutechnik damit revolutioniert werden. Meldungen zu Durchbrüchen in der Akkutechnik sind nicht selten und auch diese entspricht dem Muster. Zurzeit besteht die Technik aus einem kleinen Prototypen mit einer Kapazität von weniger als 100 Wattstunden, dessen Nachteile in der Pressemitteilung gut versteckt werden.

In dem Akku steckt eine neue Technik für die Anode, die zu zwei Dritteln aus Niob besteht. Bisher bestehen Anoden von Lithium-Ionen-Akkus aus Graphit. Dabei werden die Lithium-Ionen aus der Kathode zwischen den Kohlenstoffschichten des Graphits gelagert. Zwölf Kohlenstoffatome werden pro Lithiumion benötigt. In dem neuen Material können dagegen pro Niobatom zwei Lithiumionen angelagert werden. Das ermöglicht vor allem höhere Ladeströme und damit schnellere Ladezeiten, bringt aber Nachteile mit sich.

Niobatome sind etwa achtmal so schwer wie die Kohlenstoffatome des Graphits und nicht alle Niobatome in der Verbindung aus 2 Titan-, 10 Niob- und 29 Sauerstoffatomen sind tatsächlich an der Einlagerung von Lithiumionen beteiligt. In der Pressemeldung schreibt Toshiba von einer hohen Energiedichte, bezieht sich dabei aber nur auf das Volumen. Alles andere wäre überraschend gewesen. Die maximale theoretische Kapazität der Anode wird nur mit knapp 400 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) angegeben, was dem Niveau gebräuchlicher Graphitanoden entspricht.

Er wiegt und kostet ein Mehrfaches herkömmlicher Akkus

Praktisch erreicht wurde 2015 aber nur eine Kapazität von 250 mAh/g, und bei hohen Ladeströmen sank die Kapazität auf 150 mAh/g. Dazu kommt, dass durch die Benutzung des Stoffs die Zellspannung um etwa die Hälfte sinkt. Dadurch kann bei der Einlagerung pro Lithiumion auch nur noch die Hälfte der Energie gespeichert werden. Um einen Akku mit der gleichen Energiekapazität zu bauen, wird deswegen auch die doppelte Menge an Kathodenmaterial aus Lithium-Kobalt-Oxid oder ähnlichem benötigt.

Damit wird der Preis der neuen Akkus ein Mehrfaches eines Lithium-Ionen-Akkus gleicher Kapazität betragen. Denn nicht nur die Kathode wird teurer, ohne das billige Graphit wird auch die Anode zum ernsthaften Kostenfaktor. Schon der reine Materialpreis des unverarbeiteten Niobs liegt bei umgerechnet etwa 35 Euro pro Kilogramm, mehr als dem Zehnfachen des Graphits, das es ersetzt. Zu all dem kommt noch der Aufwand für die Entwicklung neuer Produktions- und Verarbeitungsanlagen, die noch nicht den gleichen Optimierungsgrad der alten Anlagen haben werden.

Fraglich ist auch, wie viele Ladezyklen der Akku tatsächlich durchhalten wird. Während Toshiba angibt, dass der Akku nach 5000 Ladezyklen noch 90 Prozent der ursprünglichen Kapazität haben wird, nennt der Konzern dabei aber nicht die Ladegeschwindigkeit. Typischerweise führen Ladezyklen mit hohen Lade- und Entladeströmen zu größeren Schäden an den Elektroden der Akkus als Ladezyklen mit niedrigen Ladeströmen, beim langsamen Laden und Entladen. Es muss sich in der Praxis zeigen, wie stark sich häufige Schnellladevorgänge auf den teuren Akku auswirken. Bis dahin hat Toshiba noch viel Arbeit vor sich. Der Prototyp speichert mit 50 Ah und 1,9 Volt Nennspannung nicht mehr Energie als der Akku des Laptops, auf dem diese Meldung verfasst wurde.