Akkutechnik: Wie Gotion viel Energie ohne Nickel und Kobalt speichert
Die chinesische Firma Gotion hat ihre neuen L600-Akkus vorgestellt, die ab 2024 verfügbar sein sollen. Nach Angaben des Unternehmens(öffnet im neuen Fenster) , das auch Partnerfirma von VW ist, übertreffen diese LMFP-Akkus mit 240 Wh/kg und 525 Wh/l die Energiedichte aktueller Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP-Akkus) deutlich. Sie sollen im chinesischen Testzyklus Reichweiten bis 1.000 km ermöglichen.
In LMFP-Akkus wird ein großer Teil des Eisens durch das gut verfügbare Mangan ersetzt, um die Spannung und damit die Energiedichte zu erhöhen. Damit kommen LMFP-Akkus den Leistungsdaten herkömmlicher NMC-Akkus nahe, haben aber gleichzeitig die höhere Temperaturresistenz und Sicherheit der LFP-Akkus.
Mit einer erwarteten Lebensdauer von 4.000 Ladezyklen bleiben die LMFP-Akkus nur wenig hinter den bewährten LFP-Akkus zurück. Aber selbst bei einer Reichweite von nur 300 km pro Ladung ergibt das bei einer Anwendung in Elektroautos eine Laufleistung von wenigstens 1.200.000 km, bevor die Kapazität auf 80 Prozent gefallen ist. Das ist mehr als ausreichend.
Die hohe Temperaturresistenz erlaubt es außerdem, die Zellen wie mit LFP im Akkupack mit weniger Kühlung sehr dicht zu packen. Dabei hat die Technologie der LFP-Akkupacks, angefangen mit der Cell-To-Pack-Technik von CATL und der Blade Battery von BYD, in den letzten vier Jahren große Fortschritte gemacht.
Mehr Zellen im Akkupack
Die L600-Akkuzellen machen 76 Prozent des Volumens im Pack aus, das ist fast doppelt so viel wie in herkömmlichen Packs der Modelle mit hoher Reichweite von VW oder Tesla. Deshalb können diese Akkupacks mit 400 Wh/l beim gleichen Volumen eine rund 50 Prozent höhere Kapazität erreichen, obwohl die Akkuzellen eine etwas niedrigere Energiedichte als herkömmliche NMC-Akkus haben.
Bezogen auf die Masse liegt die Energiedichte der Akkupacks bei 190 Wh/kg und sie speichern bei gleichem Gewicht rund 10 bis 15 Prozent mehr Energie als herkömmliche NMC-Packs. Typische Akkupacks könnten beim gleichen Volumen von 320 Litern eine Kapazität von 128 kWh statt 82 kWh liefern, mit einem Gewicht von rund 670 kg statt 500 kg.
Diese Akkupacks sind allen heute gebräuchlichen kategorisch überlegen. Sie ermöglichen höhere Reichweiten als in bestehenden Automodellen und mehr Flexibilität im Entwurf neuer Modelle. Obwohl sie hinter den Leistungsdaten von CATLs Qilin-Akkupacks mit 255 Wh/kg und 450 Wh/l zurückbleiben, können die L600-Zellen mit weniger Lithium und ohne Nickel und Kobalt zu niedrigeren Kosten gebaut werden. Auch der geringere Kühlaufwand wird die Kosten senken.
Die wichtigste Neuerung an den L600-Zellen ist die Chemie der Kathode.
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.
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