Energiedichte: Wie ein Akku über 700 Wh/kg erreicht hat

Kaum wurde die Marke von 500 Wh/kg erreicht, zeigt die Forschung Prototypen, die noch 40 Prozent mehr Energie mit weniger Rohstoffen speichern.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 22. Mai 2023, 12:30 Uhr

CATL hat kürzlich einen Akku mit 500 Wh/kg vorgestellt - es geht aber noch mehr. (Bild: CATL)

Eine Forschungsgruppe aus China hat erstmals eine Lithium-Ionen-Akkuzelle mit einer Energiedichte von bis zu 711 Wh/kg und 1.654 Wh/l im ersten Ladezyklus vorgestellt. Das ist der höchste bislang erreichte Wert für eine vollständige Akkuzelle.

Kommerziell in Massenproduktion erhältliche Akkus erreichen derzeit rund 280 Wh/kg und 750 Wh/l. Erst vor Kurzem kündigte CATL die Produktion von Akkus mit 500 Wh/kg an, was selbst schon ein Rekordwert für Akkus in Massenproduktion ist. Um ihn zu übertreffen, musste ein neues Kathodenmaterial verwendet werden, das mit etwas Entwicklungsarbeit auch weniger seltene Rohstoffe benötigt.

Die hohe Kapazität über 700 Wh/kg wurde zwar schon in den nächsten beiden Ladezyklen nicht mehr erreicht, aber mit einem von Anfang an schonenderen Ladezyklus erreichte der Akku immerhin stabil 600 Wh/kg. Es handelt sich dabei nicht um einen Lithium-Schwefel-Akku, mit denen im Labor bislang die höchsten Energiedichten demonstriert wurden.

Stattdessen wurde ein Material ähnlich herkömmlicher NMC-Kathoden aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid verwendet. Statt Li₁Ni_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ wird Li_1.2Ni_0.13Mn_0.54Co_0.13O₂ verwendet. Der hohe Nickelanteil wurde also zu großen Teilen durch Lithium und Mangan ersetzt.

Sauerstoff ersetzt die Funktion von Metallen

Das neue Material ist damit leichter und kann beim Laden des Akkus mehr Lithium freisetzen. Daher kommt die hohe Energiedichte. Aber es funktioniert chemisch zum Teil nach einem anderen Prinzip, über das Golem.de bereits 2021 berichtete. Wenn das Kathodenmaterial positiv geladene Lithiumionen freisetzt, muss auch ein Elektron freigesetzt werden. Dazu wird eines der anderen Metallatome in der Verbindung oxidiert. Dabei handelt es sich um sogenannte Übergangsmetalle, die zwischen mehreren Oxidationszuständen wechseln können.

Die hohe Energiedichte wird erreicht, weil in dem Material nicht nur die Übergangsmetalle, sondern auch der Sauerstoff Elektronen abgeben kann. Das Phänomen ist schon sehr lange bekannt, allerdings als eines, das Kathoden durch Sauerstofffreisetzung zerstört. Mit einer passenden Materialstruktur kann aber verhindert werden, dass durch die Elektronenabgabe freie Sauerstoffmoleküle entstehen und aus der Kathode entweichen. Das Verhalten konnte erstmals bei der Untersuchung von Natrium-Kathoden geklärt werden.

Das Resultat ist ein Kathodenmaterial, das bei Messungen im Labor eine Energiedichte von 1.100 Wh/kg erreicht und sogar 1.288 Wh/kg, wenn die Testzelle bis zu einer Spannung von 4.8 V geladen und bis 1.25 V entladen wird. Dabei nimmt die Kathode beim Entladen fast 50 Prozent mehr Lithium auf als bei einer üblichen Entladung bis 2 V, das Kathodenmaterial wird dabei aber auch instabiler. Deshalb ist zumindest kurzfristig noch nicht mit einer kommerziellen Anwendung der Technik zu rechnen.