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Anodenaktivmaterial 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.

Auch für die Beschichtung der Anode stehen alternative Aktivmaterialien zur Verfügung. Diese Materialien sind, analog zu den Kathodenmaterialien, mit charakteristischen Eigenschaften wie Lebensdauer, Kapazität, Energie oder Sicherheit ausgestattet. Derzeit beziehen sich die Forschungen und Analysen auf die beiden Technologien der Kohlenstoffbeschichtungen und des Lithium-Titanats. Eine Beschichtung mit Kohlenstoff kann sowohl aus natürlichem als auch synthetischem Graphit bestehen.
Graphit ist mit 2500 US-Dollar pro Tonne ein vergleichsweise günstiges Material, vgl. [Nitz15]. Der Rohstoff Graphit kann in seiner natürlichen Ausführung eine hohe Kapazität von 335 Amperestunden pro Kilogramm gewährleisten. Der Elektrolyt der ersten Interkalation wird unerwünscht abgebaut und bildet dadurch eine sogenannte Passivierungsschicht, die der Zelle einen Kapazitätsverlust von rund 80 Amperestunden pro Kilogramm liefert, vgl. [KuDi18, S. 180]. Die erreichbare Kapazität für den Naturgraphit liegt somit bei etwa 260 Amperestunden pro Kilogramm. Einer der wenigen Nachteile der natürlichen Graphitanode ist die geringe spezifische Leistung, die sich in niedrigen Lade- und Entladeraten manifestiert. Neben dem Naturgraphit kann auch eine synthetische Herstellung des Graphits erfolgen. Dies geschieht durch eine starke Hitzebehandlung von Petrolkoks in Kombination mit Öl in den Temperaturbereichen um 2400 Grad Celsius. Ab einer bestimmten Temperatur wird das Koks graphitiert, [KuDi18, S. 180]. Die Wirkungen sind mit dem natürlich gewonnenen Graphit ähnlich. Diese Anodenbeschichtung besitzt eine Kapazität von etwa 350 Amperestunden pro Kilogramm, ist sehr robust und bietet dementsprechend eine hohe Sicherheit. Das synthetische Graphit besitzt im Vergleich zum Naturgraphit eine höhere Lade- und Entladerate, vgl. [Hoye15, S. 24].
Neben dem Graphit kann auch amorpher Kohlenstoff für die Anode verwendet werden. Das sogenannte hard carbon (dt. Hartkohlenstoff) kann durch seine Struktur nicht in Graphit umgewandelt werden. Die ungeordnete Struktur bietet sich gut für hohe Stromflüsse an und kann eine Kapazität von 200 Amperestunden pro Kilogramm erreichen [KuDi18, S. 182]. Das Material kann in Bezug auf die Sicherheit mit dem synthetischen Graphit auf der selben Ebene betrachtet werden, ist jedoch nicht die preiswerteste Option und kann nicht die Robustheit des synthetisch hergestellten Graphits erreichen. Auch diese Beschichtungsart führt bei erstmaliger Verwendung zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust.
Eine neuere Technologie, die sich von dem kohlenstoffförmigen Beschichtungsmethoden abhebt, ist das Lithiumtitanat. Die Bezeichnung beschreibt die Verbindung von Lithium mit Titan zum Lithium-Titanoxid. Dieses Anodenmaterial ermöglicht eine sehr hohe Sicherheit, eine hohe Leistungsfähigkeit und eine hohe Lebensdauer im Gegensatz zu den anderen Materialien. Auch der Preis dieses Materials ist gering und stellt somit eine realisierbare Option für die Nutzung bei Elektrofahrzeugen dar. Allerdings sind die Kapazitäskennwerte des Materials mit ca. 165 Amperestunden pro Kilogramm nur unterdurchschnittlich, vgl. [Hoye15, S. 24].
Abbildung 1 stellt die jeweiligen Charakteristika der Anodenaktivmaterialien grafisch dar.
Materialien zur KathodenbeschichtungAbbildung 1: Datennetze der Materialien zur Kathodenbeschichtung: LMC, LFP, LCO, LMNS. Quelle: [Hoye15, S. 24]
Für die Nutzung in der Elektromobilität sind besonders niedrige Lade- und Entladeraten gefragt. Dieser Faktor gilt als eine entscheidende Eigenschaft bei der Wahl einer geeigneten Anodenbeschichtung, die vor allem auf den amorphen Kohlenstoff zutrifft. Dieser eignet sich dadurch für Hybridfahrzeuge, während das synthetische Graphit das aktuell beste Eigenschaftsprofil für die Anodenbeschichtung im Bereich der rein batterieelektrischen Fahrzeuge aufweist. Der Naturgraphit eignet sich hauptsächlich für Batterien in kleineren Geräten mit niedrigen Stromflüssen, vgl. [Hoye15, S. 24]. Das Lithiumtitanat könnte mit einer höheren Kapazität künftig eine essenzielle Rolle für die Anodenbeschichtung spielen. Aktuelle Forschungen zu einem auf dieser Technologie aufbauenden Anodenmaterial, dem sogenannten Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristallstruktur, könnten dies jedoch in naher Zukunft ändern [KIT2020].
 
 
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
[KIT2020] Karlsruher Institut für Technologie (Hrsg.) Anode Material for Safe Batteries with a Long Cycle Life, 2020
[KuDi18] Kurzweil, Peter, Dietlmeier, Otto K. Elektrochemische Speicher - Superkondensatoren, Batterien, Elektrolyse-Wasserstoff, Rechtliche Rahmenbedingungen, 2018
[Nitz15] Nitzsche, Marc Graphit - Erneute Preis-Rally nach Boden-Bildung nur eine Zeitfrage, 2015/05/15
Glossar
Kohlenstoff = Kohlenstoff. Er kommt in der Natur sowohl in reiner Form als auch in großer Vielfalt chemisch gebunden vor. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens. Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren Modifikationen vor, die beiden wichtigsten sind Diamant und Graphit. Bei Zimmertemperatur sind die Kohlenstoffmodifikationen stabil, bei höheren Temperaturen verbrennen sie zu Kohlenstoffdioxid (CO2), bei unvollständiger Verbrennung bildet sich das giftige Kohlenstoffmonooxid (CO).
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/?506116

Gedruckt am Freitag, 27. Mai 2022 08:45:56