Akkutechnik: Wie Akkus 100 Jahre halten und was uns das bringt

Unter perfekten Bedingungen können manche Akkus ewig halten. Forschung verhilft ihnen auch unter schwierigen Bedingungen zu guten Laufzeiten.

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Stationäre Speicher wie das tesla megapack könnten besonders von langlebigen Akkus profitieren.
Stationäre Speicher wie das tesla megapack könnten besonders von langlebigen Akkus profitieren. (Bild: Tesla)

Kein Akku funktioniert ewig. Aber die US-Forschungsgruppe um Jeff Dahn hat gezeigt, 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. 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.

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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.

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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. Aber die besten Ergebnisse liefert derzeit NMC532 mit niedriger Ladespannung.

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Mit Lithium in der Kathode ist wie beim Jenga-Turm 
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