Mit Lithium in der Kathode ist wie beim Jenga-Turm

Die NMC532-Kathode benötigt mit 3,8 V Ladespannung für jede Kilowattstunde Speicherkapazität etwa 100 Prozent mehr Lithium, 40 Prozent mehr Nickel und sogar 300 Prozent mehr Kobalt als herkömmliche NMC811-Akkus. Aber die gleichen Prinzipien zur Steigerung der Lebensdauer lassen sich auch rohstoffschonender auf modernere NMC811-Materialien anwenden. Die Durchführung der notwendigen Messreihen dauert allerdings mehrere Jahre, so dass zur Zeit nur Daten von älteren Materialien wie NMC532 vorliegen.

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NMC-Kathoden sind sogenannte Schichtoxide. Sie bestehen aus Metalloxiden, die nach der Synthese im Brennofen Schichten bilden, zwischen denen sich das Lithium befindet. Beim Laden des Akkus wird immer mehr Lithium aus den Zwischenräumen entfernt. Je höher die verwendete Ladespannung ist, desto mehr Lithium kann entfernt werden. Wie bei einem Jenga-Turm ist das anfangs kein Problem, aber je mehr Lithium aus den Zwischenräumen entfernt wird, desto instabiler wird das Material und die beim Zerfall freiwerdenden Metallionen können zusätzliche Schäden im Akku anrichten.

LFP hat dagegen eine sogenannte Olivin-Struktur, in der sich das Lithium in tunnelartigen Zwischenräumen befindet, die auch ohne Lithium stabil bleiben. Aber auch Schichtoxide sind sehr stabil, wenn sie durch gut kontrollierte Synthesebedingungen aus Einzelkristallen ohne Fehlstellen bestehen und durch niedrige Ladespannung genug Lithium im Kristall verbleibt. Hohe Zellspannungen können außerdem zu mehr unerwünschten Nebenreaktionen im flüssigen Elektrolyt führen, vor allem bei hohen Temperaturen.

Niedrige Spannung erlaubt stabilere Elektrolytsalze

Wenn von vorneherein feststeht, dass die Ladespannung des Akkus niemals höher als 3,8V sein wird und nur eine begrenzte Menge Lithium aus der Kathode entfernt wird, kann auch eine deutlich kleinere Anode aus Graphit verwendet werden. Dadurch wird der Akku kleiner und leichter. Weniger Graphit und Elektrolyt bieten außerdem noch weniger Möglichkeiten für Nebenreaktionen, in denen Lithium verloren geht. Wenn Akkus über 100 Jahre halten sollen, helfen auch Kleinigkeiten. Allerdings geht damit die Chance verloren, die Akkus wahlweise mit höherer Ladespannung und mehr Kapazität zu betreiben.

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Das Elektrolyt ist eine Mischung aus flüssigen Kohlenwasserstoffen (verwendet wurde eine herkömmliche Mischung aus Ethylenkarbonat und Dimethycarbonat, mit Zusätzen aus Vinylenkarbonat und Methylacetat), in dem ein lithiumhaltiges Salz aufgelöst wird, das den Transport von Lithiumionen ermöglicht. Dieses Salz ist üblicherweise Lithiumfluorophosphat LiPF6, wurde hier aber durch Lithium Bis(fluorosulfonyl)imide ersetzt, besser bekannt unter der Abkürzung LiFSI.

Erneuerbare Energien und Klimaschutz: Hintergründe - Techniken und Planung - Ökonomie und Ökologie - Energiewende (Deutsch)

LiFSI ist bekannt für höhere thermische Stabilität, was auch längere Lebensdauer verspricht. Allerdings würde es in herkömmlichen NMC-Akkus die Aluminiumfolie zersetzen, auf der das Kathodenmaterial aufgebracht wird, wenn der Akku vollständig geladen ist. Es ist eine der unerwünschten Nebenreaktionen, die bei hohen Spannungen auftreten können. Deshalb hat sich LiPF6 als Industriestandard durchgesetzt, denn lange Zeit nutzten fast alle Akkus NMC, die bis zu einer hohen Spannung geladen wurden, um die Energiedichte zu maximieren.

Dahns Gruppe konnte aber zeigen, dass die Reaktion mit der Aluminiumfolie bei Spannungen von 3,8 Volt nicht auftritt. Es wäre damit auch für LFP-Akkus geeignet. Die werden ohnehin nur bis 3,65 Volt geladen, was ein Grund für deren bekannte Langlebigkeit ist, die mit LiFSI noch verbessert werden könnte.

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Dwalinn 17. Jun 2022 / Themenstart

beides Ich finde es cool das etwas so lange halten kann aber abgesehen von ein paar...

Dwalinn 17. Jun 2022 / Themenstart

Fakt ist das übliche AKWs so teuer sind und so hohe Risiken haben (vor allem...

Fwk 14. Jun 2022 / Themenstart

Das gilt fur alle akkus, das hat an sich nichts mit e-autis zutun, das sollte man auch...

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