Akkutechnik: Wie Akkus 100 Jahre halten und was uns das bringt
Kein Akku funktioniert ewig. Aber die US-Forschungsgruppe um Jeff Dahn hat gezeigt(öffnet im neuen Fenster) , dass passend gebaute Lithium-Ionen-Akkus mehr als 100 Jahre lang täglich geladen und entladen werden könnten, ohne mehr als 20 Prozent an Kapazität zu verlieren. Dahinter steht kein wissenschaftlicher Durchbruch, sondern ein immer besseres Verständnis der Prozesse im Akku, lange Datenreihen und die Optimierung der Akkuchemie.
Dahn ist ein Pionier der Forschung an Lithium-Ionen-Akkus, mit Veröffentlichungen, die bis zum Jahr 1979 zurückreichen.(öffnet im neuen Fenster) Er berät Tesla bei der Akkuentwicklung und wurde zuletzt vor allem für die Optimierung von Akkuchemie durch hochpräzise Messungen bekannt, mit denen sich die Entwicklung die Kapazität vorhersagen lässt. Dabei geht es für Tesla nicht nur um langlebige Elektroautos, sondern auch um stationäre Speicher wie das Tesla Megapack.
Aber jede Optimierung ist ein Kompromiss. Maximale Energiedichte, maximale Leistung, schnellste Akkuladung und maximale Lebensdauer können nicht gleichzeitig erreicht werden. Unter den gebräuchlichen Lithium-Ionen-Akkus ist vor allem Lithium-Eisenphosphat (LFP) für hohe Stabilität bekannt. Aber Dahn veröffentlichte nach jahrelangen Messreihen schon 2019, dass NMC532 Kathoden noch stabiler als LFP sein können, wenn alle Partikel in der Kathode nur aus einzelnen Kristallen bestehen.
Die lange Lebensdauer braucht mehr Rohstoffe
Aber anders als LFP verwendet NMC532 nicht nur Eisen, sondern 50 Prozent Nickel, 30 Prozent Mangan und 20 Prozent Kobalt für die elektrochemische Reaktion mit Lithium. Die höhere Lebensdauer geht also mit deutlich größerem Rohstoffverbrauch einher. Für Autos in Massenfertigung ist das damals präsentierte Material kaum geeignet, obwohl der Akku als eine-Million-Meilen-Akku bekannt wurde. Dahn sieht die Anwendung eher bei stationären Speichern die besonders lang arbeiten müssen oder unter besonders schwierigen Bedingungen.
Denn ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer ist auch die Kontrolle der Temperatur, bei der ein Akku gelagert und betrieben wird. Bei Zimmertemperatur, oder etwas darunter, halten Akkus besonders lang. Die Optimierung der Akkus verlangsamt auch die Prozesse bei höheren Temperaturen. In tropischem Klima oder sehr warm laufenden Geräten halten sie dann zwar keine 100 Jahre durch, aber immerhin verlieren sie nicht schon nach wenigen Jahren oder Monaten an Kapazität. Kompromisse sind für eine längstmögliche Lebensdauer trotzdem unvermeidlich.
Um die Lebensdauer noch weiter zu erhöhen, werden die Akkus nur bis zu einer Spannung von 3,8 Volt statt der üblichen 4,2V geladen. Je höher die Ladespannung steigt, desto mehr Lithium kann aus dem Kathodenmaterial entfernt werden. Die niedrigere Spannung senkt die verfügbare Kapazität der NMC-Kathode erheblich, vermeidet aber schädliche Effekte höhrer Spannung auf das Elektrolyt im Akku. Dafür bleibt durch die niedrige Ladespannung mehr Lithium in der Kathode zurück. Der Rohstoffverbrauch steigt, was zu deutlich höheren Kosten führt.
Deshalb ist LFP ist nicht überflüssig und Fortschritte bei der Entwicklung von Elektrolyten helfen auch, deren Lebensdauer zu verlängern.(öffnet im neuen Fenster) Aber die besten Ergebnisse liefert derzeit NMC532 mit niedriger Ladespannung.
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.
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.
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.
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.
Unter perfekten Bedingungen könnten Akkus Jahrtausende halten
Neben der Spannung senkt vor allem die Betriebs- und Lagertemperatur die Lebensdauer. Hohe Temperaturen beschleunigen chemische Vorgänge. Schon 10 Grad Celsius mehr können Reaktionsgeschwindigkeiten mehr als verdoppeln, was vor allem die störenden Nebenreaktionen betrifft, durch die immer weniger Lithium für das Laden des Akkus zur Verfügung steht. Umgekehrt können die Akkus mit LiFSI und stabileren Kathodenmaterialien höheren Temperaturen über längere Zeit widerstehen.
Der letzte wichtige Faktor ist das richtige Ladeverhalten, wofür vor allem das Batteriemanagementsystem verantwortlich ist. Wird ein Akku zu schnell geladen, kann das Lithium nicht in das Graphit eindringen und wird stattdessen außerhalb des Graphits als Metall abgeschieden. Innerhalb des Graphits ist das Lithium vor schädlichen Reaktionen mit dem Elektrolyt geschützt, während Lithiummetall außerhalb des Graphits zu unlöslichen Lithiumsalzen reagiert und damit dem Akku verloren geht.
Bei kühlen Temperaturen könnten Akkus Jahrtausende halten
Wie schnell zu schnell ist, hängt von der Temperatur und dem Alter des Akkus ab. Bei höheren Temperaturen kann das Lithium schneller ins Graphit eindringen. Für die Tests, die hauptsächlich den Einsatz als stationärer Speicher simulieren sollen, wurden die Akkus über zwei bis drei Stunden geladen. In älteren Akkus führen unvermeidliche Schäden in der Struktur des Graphits dazu, dass der Widerstand steigt und die mögliche Ladegeschwindigkeit sinkt. Das Batteriemanagement muss ein zu schnelles Laden unter allen Umständen verhindern, wenn der Akku seine maximale Lebenszeit erreichen soll.
Unter perfekten Bedingungen und 10 Grad Celsius Betriebstemperatur sollten selbst LFP-Akkus den Messungen zufolge knapp 100 Jahre lang täglich geladen und entladen werden können und etwa 30 Jahre bei 20 Grad Celsius. Unter ähnlichen Bedingungen und der gleichen Ladespannung von 3,65V sollte NMC532 theoretisch sogar über 1.000 Jahre und bei 10 Grad etwa 10.000 Jahre durchhalten können, speichert mit 3,65V aber deutlich weniger Energie. Mit 3,8V soll die Lebensdauer 100 Jahre übertreffen können, solange die Temperaturen niedriger als 27 Grad Celsius liegen.
LFP-Akkus sind massentauglicher
Praxisrelevant wird der Aufwand hauptsächlich durch die Langlebigkeit bei hohen Temperaturen, die bei 50 Grad Celsius oft nur Monate beträgt, aber mit entsprechender Optimierung auch Betriebsdauern von mehr als einem Jahrzehnt erlauben. Für einen schnellen Ausbau von Netzspeichern im großen Maßstab dürften dennoch LFP-Zellen unter kontrollierten Temperaturbedingungen die bessere Wahl sein, um den Rohstoffverbrauch zu senken.
Dahn spekuliert, dass die höhere Langlebigkeit der NMC-Kathoden gar nicht an der Kathode selbst liegt, sondern in den Akkus bislang unerkannte Nebenreaktionen auftreten, die der Graphit-Anode eine höhere Langlebigkeit verleihen. Dann könnte eine Mischung aus LFP und NMC hohe Langlebigkeit und niedrigen Rohstoffverbrauch mit sich bringen. Aber dazu werden weitere Untersuchungen benötigt, bis zu deren Ende die Akkutechnologie weiter fortgeschritten sein wird.