Bessere Konstruktionen senken die Anforderungen an Akkus

Die Ursache für das große Missverständnis liegt in der Entwicklung der Akkus und der Elektromobilität seit den 1990er Jahren. Als General Motors 1996 mit dem EV-1 eines der ersten moderneren Elektroautos baute, war dessen Reichweite durch die niedrige Energiedichte der Bleiakkupacks mit 30 Wattstunden pro Kilo (Wh/kg) auf etwa 100 km begrenzt. Auch mit Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) und 50 Wh/kg waren es 1999 nur 180 km, nach modernen EPA-Messstandards. Mehr Energiedichte war für praxistaugliche Autos also unabdingbar.

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Die lieferte im Tesla Roadster 2008 ein Lithium-Kobalt-Akkupack mit 117 Wh/kg Energiedichte und über 350 Kilometern Reichweite. Inzwischen ist die Energiedichte der Akkupacks von Tesla auf 160 bis 170 Wh/kg gestiegen, ebenso wie die Reichweite von Autos wie dem Model 3 auf über 500 Kilometer. Grund dafür war der Ersatz von Kobalt durch Nickel, denn mit Kobalt lässt sich nur die Hälfte des Lithiums beim Laden des Akkus aus der Kathode entfernen. Je höher der Nickelanteil, desto mehr Lithium ist im Akku verfügbar.

Die Akkus brauchen weniger Lithium, Nickel und Mangan sind billiger als Kobalt. Es müssen weniger Rohstoffe gefördert und weniger Material verarbeitet werden. Die Akkus wurden gleichzeitig immer besser, umweltfreundlicher und billiger. Alle Teile der Industrie waren sich einig, dass es eine positive Entwicklung war. Dabei sah die Industrie in Europa und Amerika vor allem die höhere Energiedichte, für die chinesischen Hersteller war die Kostensenkung im Wettbewerb des Marktes viel wichtiger.

Erst Tesla überzeugt die Industrie von LFP

Aber diese Entwicklung fand 2018 ihr Ende, als mit der Einführung von NMC 811 rund 90 Prozent des Kobalts im Akku ersetzt wurden. Fast jede weitere geplante Steigerung der Energiedichte, egal ob durch Festkörperakkus oder Siliziumanoden, geht nun mit größerem Rohstoffverbrauch und höheren Kosten einher.

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Gleichzeitig sanken in China die Herstellungskosten durch immer größere Fabriken und bessere Produktionsmethoden. Die Verarbeitung größerer Materialmengen wurde ohne größere Kostensteigerung möglich. Deshalb stellten immer mehr Hersteller auf Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP) um, mit etwas schlechterer Energiedichte, aber deutlich niedrigeren Rohstoffkosten. Aber "billig" gilt in Europa und Amerika als negative Eigenschaft und obwohl LFP in den USA erfunden wurde, wurde es als "China-Kathode" verlacht. Bis Tesla 2020 LFP-Akkus für das Model 3 ankündigte.

Das 2020 eilig in Produktion gebrachte Akkupack von Tesla kam zwar nur auf 125 Wh/kg, treibt aber dennoch ein über 40.000 Euro teures Auto an. Chinesische Hersteller wie BYD haben durch Verzicht auf Akkumodule, bessere LFP-Zellen und bessere Konstruktionstechnik die Energiedichte der neuesten LFP-Akkupacks auf über 160 Wh/kg gesteigert.

Temperaturresistenz überwiegt Energiedichte

Dazu wurde der Gewichtsanteil von Akkuzellen in Akkupacks auf 80 bis 90 Prozent erhöht und LFP-Zellen mit mehr als 200 Wh/kg wurden entwickelt. Die Werte sind vergleichbar mit den besten heute gebräuchlichen Akkupacks in Elektroautos. LFP bedeutet in der Praxis also keinen Rückschritt. Vielmehr liegt die Hürde der notwendigen Energiedichte von Akkuzellen für die Elektromobilität inzwischen viel niedriger als je zuvor.

Der Grund für die Entwicklung bei LFP ist die hohe Temperaturempfindlichkeit herkömmlicher Akkuzellen mit hohem Nickelanteil und hoher Energiedichte. Dieser Nachteil wurde zugunsten der hohen Energiedichte der Zellen in Kauf genommen, stellt aber beim Bau des Akkupacks ein Problem dar. Sehr nickelreiche Kathoden fangen in der Akkuzelle schon bei etwa 230 Grad an, sich zu zersetzen und Sauerstoff freizugeben. Der Sauerstoff beginnt dann, die Zelle praktisch von innen heraus zu verbrennen und schnell aufzuheizen.

Entsprechend müssen umfangreiche Maßnahmen getroffen werden, damit Zellen gut gekühlt werden und eine brennende Zelle keine weiteren Zellen aufheizt und eine Kettenreaktion in Gang setzt. Leichte Akkupacks sind mit dem viel resistenteren LFP viel einfacher umsetzbar als mit stark nickelhaltigen Zellen, deren Entwicklung aber ebenso vorangetrieben wird. Akkupacks mit Energiedichten über 200 Wh/kg sollen in Zukunft mit herkömmlichen Akkuzellen erreichbar sein.

Festkörperakkus sollen bei weiteren Steigerungen eine wichtige Rolle spielen, da sie keine brennbaren Bestandteile haben. Aber sie sind teurer als herkömmliche Akkus und rohstoffintensiver. Trotzdem besteht in der Industrie in Europa und den USA riesiges Interesse an der Technik, während der Umbruch durch LFP kaum wahrgenommen wurde.

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 Akkutechnik: Wird die Akkuindustrie nach 2021 endlich vernünftig?Europa verliert Marktmacht durch Konzentration auf Spitzenleistungen 
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Cavaron 03. Jan 2022 / Themenstart

Moin - ja, das mit dem Bier können wir gerne machen. Ich schätze auch, wir müssen dafür...

yooyoo 01. Jan 2022 / Themenstart

China ist aber auch nicht das beste Gegenbeispiel, musst dann eben auch auch mit...

format 01. Jan 2022 / Themenstart

Bitte lasst mich mit dem Lesch in Ruhe, der Typ ist eine einzigartige Dumpfbacke. Seit er...

wernerderchamp1 31. Dez 2021 / Themenstart

Und dann fahren alle Schlachtschiff-SUVs mit 2,5t, jaja genau. Warum zum Fick sollte ich...

dirk_diggler 30. Dez 2021 / Themenstart

Gab hier auf golem doch schon genug Artikel über Recycling von Lithium aus akkuzellen...

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