Lithium-Ionen-Akkus

Kobaltfreies Kathodenmaterial steigert Energiedichte um 40 Prozent

| Autor: Thomas Kuther

REM-Aufnahme des kobaldfreien Kathodenpulvers, das die Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akkus um 40% steigern kann
REM-Aufnahme des kobaldfreien Kathodenpulvers, das die Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akkus um 40% steigern kann (Bild: ZSW)

Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW) haben ein neues Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, das eine bis zu 40 Prozent höhere Energiedichte als bisherige Materialien erreicht.

Bei dem neuen Material handelt es sich um Lithium-Nickel-Manganoxid (Li1+xMn1.5Ni0.5O4), das kostengünstiger als bisher übliche Materialien, das es auf das teure und seltene Kobalt verzichtet und weniger Nickel nutzt. Darüber hinaus ist es einfach zu produzieren. Die Entwicklung einer günstigen und sicheren Hochenergiebatterie, mit denen Elektroautos länger fahren können, rückt damit in Reichweite. Für die künftige Material- und Zellfertigung sucht das ZSW jetzt Entwicklungspartner.

Eine höhere Energiedichte ermöglich auch eine höhere Reichweite

Lithium-Nickel-Manganoxid hat mit mehr als 210 mAh/g eine deutlich größere Speicherkapazität als heute verwendete oder in Entwicklung befindliche Kathodenmaterialien. Da die Entladespannung zum Großteil bei über 4,5 V liegt, ist auch eine bis zu 40% höhere Energiedichte der gesamten Batterie möglich. Batterien mit einer derart verbesserten Energiedichte verlängern die Reichweite von Elektrofahrzeugen signifikant.

Themisch stabiles Kathodenmaterial für sichere Akkuzellen

Li1+xMn1.5Ni0.5O4 hat noch weitere Vorteile: Die thermische Stabilität im geladenen Zustand ist deutlich besser als bei den gängigen Kathodenmaterialien. Das bewirkt eine höhere Sicherheit der Zellen. Auch die Lebensdauer-Werte des neuen Batteriematerials sind erfreulich. Trotz der frühen Entwicklungsphase konnte eine gute Zyklenstabilität mit mehr als 150 Zyklen ohne Kapazitätsverlust in kompletten Zellen mit Graphit als Anode demonstriert werden.

Manganoxid ist einfach herstellbar

Das Manganoxid lässt sich einfach über bekannte Verfahren herstellen. Erste Muster im Kilogrammmaßstab mit hoher Qualität haben die Forscher am ZSW bereits produziert. Das Pulver enthält sphärische Partikel mit einer hohen Klopfdichte von 2,4 g/cm3. Die Partikel sind ähnlich groß wie die heute verwendeter Kathodenmaterialien und können daher gut in kommerziellen Elektrodenbeschichtungsprozessen eingesetzt werden.

Vielversprechendes Material für Elektrofahrzeugbatterien

„Unser lithiiertes, kobaltfreies Lithium-Nickel-Manganoxid ist ein vielversprechendes neues Material für Elektrofahrzeugbatterien“, freut sich Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens, Leiterin des ZSW-Fachgebiets Materialforschung Akkumulatoren „Die Kapazität und Energiedichte sind höher, die Kosten geringer und die Produktion auf industrielle Größen hochskalierbar.“

Li1+xMn1.5Ni0.5O4 macht Batterien leistungsstärker, langlebiger und sicherer

Den bisherigen Stand der Technik von Lithium-Ionen-Batterien repräsentieren nickel- und kobalthaltige Schichtoxide wie NCM (1:1:1), NCA oder die sich noch in Entwicklung befindlichen nickelreichen Schichtoxide NCM (8:1:1). Kobalt ist jedoch ein teurer und begrenzt verfügbarer Rohstoff und auch Nickel ist nicht besonders günstig. Das neue Material aus dem ZSW könnte diese Nachteile beseitigen und zugleich die Batterien für Elektrofahrzeuge künftig leistungsstärker, langlebiger und sicher machen.

Der Markt für mobile Energiespeicher boomt

Der Einsatz von mobilen Batteriespeichern boomt: Aus den Verkaufszahlen für die im Jahr 2014 hergestellten Lithium-Ionen-Zellen lässt sich ein Marktvolumen von mehr als 2 Mrd. € ableiten. Bei den aktuellen Wachstumsraten wird sich der Umsatz schon bis 2020 auf etwa 15 Mrd. € pro Jahr erhöhen. Und erst danach beginnt die eigentliche breite Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen. Für Hersteller von Batteriematerialien ist dieser wachsende Markt hochinteressant. Gleichzeitig muss die breite Verfügbarkeit der Materialien langfristig sichergestellt werden. Im Fall von Kobalt handelt es sich nicht nur um einen knappen, sondern auch einen geopolitisch kritischen Rohstoff.

Förderungseitens des Bundesministeriums für Bildung und Forschung

Die ZSW-Forschungsarbeiten wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der „Excellent Battery Initiative“ im Projekt LiEcoSafe gefördert. Das Förderkennzeichen: 03X4636A. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 230 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Hinzu kommen 70 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte.

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