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Kathodenaktivmaterial für Lithium-Ionen-Batterien

Erstellt am: 05.12.2019 | Stand des Wissens: 13.04.2022
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Die chemischen Substanzen, die für die Energiespeicherung in Batterien benötigt werden, werden als Aktivmaterial bezeichnet. Diese Materialien sind oft schlechte Leiter, was sich negativ auf die Leistungsdaten einer Batterie auswirkt. Dem wirkt man entgegen, indem man Aktivmaterialien auf einen gut leitenden Stromkollektor (Kupfer, Aluminium) aufbringt. Für die Beschichtung der Kathode kommen verschiedene Aktivmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in Frage.
Stand der Technik bei den Schichtoxiden ist das kobalthaltige Lithiumoxid (LCO Lithium-Kobaltdioxid), das bereits in den ersten Versionen der Lithium-Ionen-Batterie von Sony im Jahr 1991 eingeführt wurde und bis zur heutigen Zeit Verwendung findet, vgl. [KuDi18, S. 190]. Dieses Kathodenaktivmaterial ist vor allem durch die vereinfachte Produktion, eine hohe Energiedichte von 90 - 180 Wattstunden pro Kilogramm und eine praktische Kapazität von 140 Amperestunden pro Kilogramm gekennzeichnet; allerdings sind die Herstellungskosten im Vergleich zu anderen Aktivmaterialien hoch und die Lebensdauer mit knapp 500 bis 1000 Lade-Entlade-Zyklen relativ kurz.
Vor allem die Sicherheit und die Lebensdauer sind Faktoren, die für die Batterie eines Elektrofahrzeuges einen hohen Stellenwert besitzen. Daher ist das Schichtoxid aus Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt (NMC Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid) eines der geeigneten Aktivmaterialien für die Lithium-Ionen-Batterie in Bezug auf die Batterienutzung innerhalb der Elektromobilität, vgl. [Mich19]. Neben der Kapazität von 160 Amperestunden pro Kilogramm und einer hohen Leistungsfähigkeit, die durch die NMC-Schicht übertragen wird, geht mit der Robustheit des Materials eine erhöhte Lebensdauer einher, wodurch deutliche Vorteile für die Nutzung entstehen.
Zur Beschichtung der Kathode kann auch auf eine Phosphatverbindung zurückgegriffen werden. Hierbei zählt das Lithium-Eisenphosphat (LFP Lithium-Ferrum-Phosphate) zu den geeigneten Aktivmaterialien. Dieses Material ist in der Lage, bei hoher Sicherheit die Alterung des Batteriesystems zu verlangsamen und somit dessen Lebensdauer zu verlängern. Zudem ist das Material sehr umweltverträglich. Die LFP-Schicht lässt sich gut abbauen und noch besser wiederverwerten. Vor allem die Möglichkeit einer schnellen Ladung macht die Schicht für den Gebrauch im Bereich der Elektromobilität sehr vorteilhaft. Der Nachteil dieser Technologie ist die vergleichsweise geringe Energiedichte von 80 - 120 Wattstunden pro Kilogramm bei einer konkurrenzfähigen theoretischen Kapazität in Höhe von 168 Amperestunden pro Kilogramm. In diesem Bereich liegt der Schwerpunkt der Forschung auf Versuchen, das Eisen durch Mangan, Nickel oder Kobalt zu ersetzen und so eine Leistungssteigerung zu ermöglichen. Dadurch könnten beispielsweise die Energiedichte und die Leitfähigkeit signifikant erhöht werden, vgl. [Hoye15, S. 22].
Ein weiteres bedeutendes Kathodenbeschichtungsmaterial ist der Spinell. Das Mineral aus der Klasse der Oxide ist durch seinen Aufbau in der Lage ein ähnliches Leistungsergebnis wie das LCO, das NMC sowie das LFP zu erzielen. Neben den unausgereiften Technologien der Manganspinell-Nanostrukturen und der Hochvoltspinelle ist vor allem der LMNS Lithium-Nickel-Manganspinell konkurrenzfähig, vgl. [KuDi18, S. 199]. Die spezifische Leistung steigt bei dieser Beschichtung durch eine hohe Arbeitsspannung von etwa 4,5 Volt. Der LMNS ist in der Verwendung sicher und liefert geringe Ausfallquoten. Aufgrund der geringen spezifischen Energiedichte sowie einer nicht vorhandenen Schnellladbarkeit, sind Vorteile wie Umweltverträglichkeit und Kosteneinsparung weniger relevant. Zudem ist die kurze Lebensdauer der Schicht, die einen effektiven Gebrauch in reinen Elektrofahrzeugen verhindern, eine weitere Herausforderung bei der Einführung, vgl. [Hoye15, S. 22].
Datennetz_Kathodenbeschichtungsmaterial.pngAbbildung 1: Datennetze der Materialien zur Kathodenbeschichtung: LMC, LFP, LCO, LMNS. Quelle: [Hoye15, S. 24]
Die Datennetze der verschiedenen Materialien zur Kathodenbeschichtung in Abbildung 1 zeigen, dass sich das LFP-Aktivmaterial von den anderen Materialien deutlich abhebt und in jeder Kategorie über sehr hohe Werte verfügt. Es folgt die NMC-Technologie, die ebenfalls überdurchschnittliche Werte in den einzelnen Kategorien aufweist. Letztendlich entscheiden in diesem Fall verschiedene externe Faktoren über die Verwendung des geeigneten Kathodenaktivmaterials. Nach dem aktuellen Technikstand ist die NMC-Technologie Marktführer, da sie grundsätzlich durch die Verwendung der Materialien eine nachhaltigere Variante darstellt und dadurch der LFP-Technologie in ökologischer Hinsicht voraus ist. Laufende Forschungen zu der LFP-Technologie zeigen jedoch weiteres Potenzial für Effizienz- und Effektivitätssteigerungen dieses Aktivmaterials für die Kathodenbeschichtung der Lithium-Ionen-Zelle.
 
 
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Batterieforschung im Kontext der Elektromobilität (Stand des Wissens: 13.04.2022)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?506185
Literatur
[Hoye15] Hoyer, Claas Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen in Deutschland, 2015
[KuDi18] Kurzweil, Peter, Dietlmeier, Otto K. Elektrochemische Speicher - Superkondensatoren, Batterien, Elektrolyse-Wasserstoff, Rechtliche Rahmenbedingungen, 2018
[Mich19] Michaely, Peter Die Batterie beim Elektroauto: Hersteller, Typen, Technik, 2019/01/10
Glossar
Elektromobilität
Die Elektrifizierung der Antriebe durch Batterie- und Brennstoffzellentechnologien. Im Kontext des "Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität" wird der Begriff auf den Straßenverkehr begrenzt. Hierbei handelt es sich insbesondere um Personenkraftwagen (Pkw) und leichte Nutzfahrzeuge, ebenso werden aber auch Zweiräder (Elektroroller, Elektrofahrräder) und Leichtfahrzeuge einbezogen.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?506108

Gedruckt am Montag, 4. Juli 2022 13:34:20