Mit Mangan wird vieles besser

Im Vergleich zu LFP-Akkus wird durch den Ersatz von Eisen durch Mangan die theoretische Zellspannung bei der Entladung von knapp 3,5 V auf über 4,0 V erhöht. Das bedeutet, dass mehr Energie pro Elektron freigesetzt wird. Pro Lithium-Ion wird in der Kathode ein Elektron aufgenommen, so dass eine höhere Spannung nicht nur mehr Energie pro Kilogramm Akkuzelle bedeutet, sondern auch mehr Energie pro Kilogramm Lithium. Es wird auch mehr Energie pro Kilogramm Anodenmaterial gespeichert, das beim Laden des Akkus das Lithium speichert.

Der Umstieg von LFP zu LMFP führt also zu Einsparungen bei allen Materialien. Deshalb entwickelt CATL mit den M3P-Zellen eine ähnliche Technologie, verrät aber noch nicht, welche Materialien darin genau zum Einsatz kommen. Die Verwendung von Mangan führt zu einer Instabilität des Materials, weshalb es fast immer mit kleineren Anteilen von Eisen und anderen Elementen vermischt werden muss. Auch die Synthesebedingungen spielen eine Rolle und die etwas höhere Spannung stellt größere Anforderungen an den Elektrolyt.

Schon LFP war eine Herausforderung

Dazu kommen alle Probleme von Lithium-Eisenphosphat, die erst im Lauf der letzten zehn Jahre weitgehend zufriedenstellend gelöst wurden. Die sogenannte Olivin-Struktur der Materialien besteht aus langen Tunneln, in denen sich die Lithium-Ionen bewegen können. Sie sind sehr stabil, führen aber zu einer niedrigen Leitfähigkeit des Materials für Lithium-Ionen. Deshalb muss das Material aus kleinen Partikeln bestehen, damit die Ionen keine langen Wege im Material zurücklegen müssen.

Aber kleine Partikel lassen wenig Raum für Elektrolyt in der Kathode, so dass sich die Lithium-Ionen nicht frei zur Anode bewegen können. Auch die elektrische Leitfähigkeit ist bescheiden, weshalb LFP, LMFP und ähnliche Materialien mit einer Kohlenstoffschicht überzogen werden. Erst in den letzten Jahren ist es gelungen, nanostrukturierte Materialien zu entwickeln, die große Partikel mit kurzen Wegen zur Oberfläche und dünnen Kohlenstoffschichten verbinden.

Die niedrigen Rohstoffkosten rechtfertigten den beträchtlichen Aufwand, der bislang fast ausschließlich in China betrieben wurde, nachdem die amerikanische Firma A123 im Jahr 2012 keine Investoren mehr gefunden hatte. Der Rückstand ist selbst beim einfachen LFP inzwischen so groß, dass europäische und amerikanische Hersteller entweder LFP-Akkus direkt aus China importieren oder sie in Kooperation mit chinesischen Firmen herstellen wollen. So hat auch Gotion Zweigstellen in Deutschland, die künftig Akkus für VW produzieren sollen.

LMFP kann billigeres Mangan verwenden

Vor der Marktreife der LMPF-Akkus musste vor allem sichergestellt werden, dass die Ionen-Leitfähigkeit in der LMFP-Kathode ausreichend hoch ist und das Material trotz des hohen Mangananteils stabil bleibt. Das scheint inzwischen weitgehend gelungen zu sein, wenn auch noch nicht auf dem Niveau der jahrelangen Perfektion der LFP-Akkus.

Die Kosten für die Akkus dürften zumindest Anfangs noch deutlich höher als bei LFP liegen. Allerdings könnten die Preise für Akkus mit Mangan langfristig durch den niedrigeren Verbrauch von Lithium und anderen Materialien mit LFP gleichziehen oder sogar darunter sinken.

Viel wird davon abhängen, woher das Mangan stammt. Es ist in der Natur sehr häufig, aber oft mit Eisen vermischt. Besonders in NMC-Akkus wäre das Eisen nur störend, weshalb Mangan für Akkuanwendungen derzeit entweder aus speziellen Erzvorkommen mit geringem Eisenanteil gewonnen oder in energieaufwendigen Prozessen aufgereinigt wird. Für LMFP, bei dem das Eisen ohnehin eine aktive Rolle im Akku spielt, könnten deutlich billigere Prozesse verwendet werden.

Ob oder wann auch VW Zugriff auf die LMFP-Technik haben wird, ist noch nicht klar, ebenso wenig, ob sie in Deutschland hergestellt wird. In jedem Fall wird sie den Rohstoffverbrauch der Akkuherstellung weiter senken und dabei höhere Reichweiten und leichtere Akkus ermöglichen.