Zellchemie und Komponenten

Die Chemie einer Elektroauto-Batterie beeinflusst, wie viel Energie ihre Zellen speichern können, wie schnell sie geladen werden können, wie sie sich bei Kälte verhalten, wie sie altern und welche Rohstoffe und Fertigungsprozesse sie benötigen.

Bezeichnungen wie NMC, NCA und LFP beschreiben üblicherweise das Material der positiven Elektrode, nicht die vollständige Zelle. Daher können zwei Batterien, die unter derselben Bezeichnung verkauft werden, sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Eine allgemeine Erklärung von Spannung, Strom, Ionenfluss und Energiespeicherung finden Sie zunächst unter Grundlagen zu Batterien.

Die Chemie umfasst das gesamte Zellsystem

Eine wiederaufladbare Batteriezelle ist ein elektrochemisches System aus mehreren Komponenten, die miteinander zusammenwirken:

Eine positive Elektrode
Eine negative Elektrode
Ein Elektrolyt
Ein Separator
Zwei Stromableiter
Schützende Grenzschichten, die dort entstehen, wo der Elektrolyt auf die Elektroden trifft

Die beiden Elektrodenmaterialien bestimmen den grundlegenden Speichermechanismus und die Betriebsspannung der Zelle. Der Elektrolyt transportiert Ionen zwischen ihnen. Der Separator verhindert einen direkten elektrischen Kontakt, lässt aber Ionen passieren, während die Stromableiter Elektronen zu den Zellanschlüssen leiten.

Diese Bestandteile lassen sich nicht unabhängig voneinander optimieren. Eine positive Elektrode mit höherer Spannung kann einen oxidationsbeständigeren Elektrolyten erfordern. Eine siliziumreiche negative Elektrode benötigt Binder, Additive und mechanische Maßnahmen, die ihre Ausdehnung aufnehmen können. Eine für schnelles Laden ausgelegte Zelle kann dünnere oder porösere Elektroden benötigen als eine Zelle, die auf maximale Energiedichte ausgelegt ist.

Die praktische Konsequenz ist wichtig: Die angegebene Chemie ist nur der Ausgangspunkt. Partikeldesign, Elektrodendicke, Elektrolytrezeptur, Zellformat, Thermomanagement, Betriebsgrenzen und Software bestimmen gemeinsam, wie sich eine Batterie in einem Elektroauto verhält.

Aufbau einer Elektrode

Eine Elektrode ist keine massive Platte aus Graphit, LFP oder NMC. Üblicherweise handelt es sich um eine poröse Verbundbeschichtung, die auf eine dünne Metallfolie aufgebracht wird.

Eine herkömmliche Elektrodenbeschichtung enthält:

Aktivmaterial, das Lithium- oder Natriumionen speichert und wieder abgibt
Leitfähige Additive, meist kohlenstoffbasierte Materialien, die Leitpfade für Elektronen bilden
Binder, der die Partikel zusammenhält und die Beschichtung mit dem Stromableiter verbindet
Poren, durch die der Elektrolyt das Aktivmaterial erreicht

Partikelgrößen, Materialanteile, Beschichtungsdicke, Dichte und Porosität beeinflussen allesamt die Leistung. Das US-Energieministerium beschreibt Elektrodenfilme als Kombinationen aus Aktivmaterial, leitfähigem Additiv und Binder und zeigt, wie inaktive Komponenten und die Elektrodenbeladung die praktische Energiedichte beeinflussen. (US-Energieministerium)

Eine dicke, dicht gepackte Elektrode kann im Verhältnis zur Masse ihres Stromableiters, Separators und Gehäuses mehr Energie speichern. Ionen und Wärme müssen darin jedoch längere Wege zurücklegen. Dies kann schnelles Laden und den Betrieb mit hoher Leistung begrenzen.

Eine dünnere oder porösere Elektrode kann Transportwege verkürzen und lokale Konzentrationsgradienten verringern, benötigt aber normalerweise mehr inaktives Material je gespeicherter Kilowattstunde. Die Zellentwicklung ist daher ein Abwägen zwischen:

Gravimetrischer Energiedichte: Energie je Masseneinheit
Volumetrischer Energiedichte: Energie je Volumeneinheit
Leistung und Schnellladefähigkeit
Wärmeentwicklung und Kühlung
Zyklen- und kalendarischer Lebensdauer
Materialeinsatz, Produktionsgeschwindigkeit und Kosten

Dies ist einer der Gründe, weshalb eine Chemie, die in einer Labor-Knopfzelle außergewöhnliche Ergebnisse erzielt, in einer großformatigen Automobilzelle nicht automatisch denselben Vorteil bietet.

Materialien der negativen Elektrode

Die negative Elektrode, häufig Anode genannt, speichert Lithium- oder Natriumionen, während die Zelle geladen ist. Sie hat großen Einfluss auf Schnellladen, Kälteverhalten, Wirkungsgrad, Ausdehnung und Alterung.

Die meisten Lithium-Ionen-Zellen für Elektroautos verwenden Graphit oder einen Graphit-Silizium-Verbund. Natrium-Ionen-Zellen nutzen in der Regel Hartkohlenstoff. Andere Systeme für negative Elektroden zielen auf bestimmte Vorteile oder künftige Steigerungen der Energiedichte.

Graphit

Graphit ist das dominierende Material für negative Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien von Elektroautos. Seine geschichtete Kristallstruktur ermöglicht es, Lithiumionen beim Laden zwischen Kohlenstoffschichten einzulagern und beim Entladen wieder freizusetzen.

Hersteller können Folgendes verwenden:

Naturgraphit
Synthetischen Graphit
Mischungen aus natürlichem und synthetischem Graphit

Naturgraphit kann Energiebedarf und Kosten der Materialherstellung senken, während synthetischer Graphit den Herstellern mehr Kontrolle über Reinheit, Partikelform und Gleichmäßigkeit gibt. Mischungen und Beschichtungen dienen dazu, Wirkungsgrad, Haltbarkeit und Ladeleistung abzustimmen.

Graphit ist ausgereift und kann über viele Zyklen stabil bleiben, besitzt aber eine begrenzte Speicherkapazität. Zudem ist es anfällig für Lithium-Plating, wenn Lithium schneller an seiner Oberfläche ankommt, als es in die Struktur eingelagert werden kann. Eine niedrige Zelltemperatur, ein hoher Ladestrom und ein hoher Ladezustand erhöhen dieses Risiko.

Lithium-Plating verbraucht nutzbares Lithium und kann die Alterung beschleunigen. Starkes oder wiederholtes Plating kann außerdem Ablagerungen erzeugen, die das Risiko eines internen Kurzschlusses erhöhen. Deshalb kann ein Elektroauto die Ladeleistung reduzieren, wenn seine Batterie kalt oder fast voll ist.

Silizium-Graphit-Verbundanoden

Silizium kann pro Gramm wesentlich mehr Lithium speichern als Graphit. Die Beimischung von Silizium gehört daher zu den wichtigsten Möglichkeiten, mit denen Hersteller die Energiedichte einer Zelle erhöhen wollen, ohne das gesamte Lithium-Ionen-Produktionssystem zu ersetzen.

Die Schwierigkeit liegt in der Ausdehnung. Vollständig lithiiertes Silizium kann sich um etwa 300 % ausdehnen. Dadurch entstehen Spannungen, die Partikel aufbrechen, elektrische Verbindungen unterbrechen und die schützende Oberflächenschicht wiederholt beschädigen können. Eine 2024 in Nature Communications veröffentlichte Studie beschreibt diese Ausdehnung und die daraus entstehenden Risiken für Elektrode und Separator. (Nature Communications)

Die meisten „Siliziumanoden“ für Automobile bestehen deshalb nicht aus reinem Silizium. Es sind Graphitelektroden, die einen kontrollierten Anteil Silizium oder eines siliziumbasierten Materials enthalten. Der Graphit bildet ein stabiles Gerüst, während das Silizium zusätzliche Kapazität liefert.

Ein höherer Siliziumanteil kann die Energiedichte verbessern, erschwert aber zugleich die Beherrschung von Ausdehnung, Lithiumverlust im ersten Zyklus, Grenzschichtstabilität und Fertigung. Die Zelle kann Folgendes benötigen:

Elastische Binder
Elektrolytadditive, die eine stabilere Oberflächenschicht bilden
Speziell entwickelte Siliziumpartikel oder Silizium-Kohlenstoff-Verbundstoffe
Zusätzliches Lithium zum Ausgleich anfänglicher Verluste
Sorgfältig geregelten Druck und kontrollierte Betriebsgrenzen

Forschung und industrielle Entwicklung bewegen sich von geringen Siliziumbeimischungen hin zu siliziumdominierten Elektroden. Ein hoher Siliziumanteil allein belegt jedoch weder eine hohe Energiedichte noch eine lange Lebensdauer der Zelle. Das Ergebnis hängt vom vollständigen Elektroden- und Zelldesign ab. Untersuchungen an praxisnahen siliziumhaltigen Zellen beschreiben Ausdehnung, instabile Grenzschichten, Elektrodenquellung und Elektrolytverbrauch als miteinander verknüpfte Herausforderungen. (Nature Communications)

Hartkohlenstoff

Hartkohlenstoff ist das führende Material für negative Elektroden in Natrium-Ionen-Zellen. Es handelt sich um einen nicht graphitisierbaren Kohlenstoff mit ungeordneten Schichten, Defekten und Poren, der die größeren Natriumionen wirkungsvoller speichern kann als herkömmlicher Graphit.

Hartkohlenstoff lässt sich aus verschiedenen kohlenstoffreichen Ausgangsstoffen herstellen, darunter synthetische Harze und aus Biomasse gewonnene Materialien. Porenstruktur, Defekte, Oberfläche und Wärmebehandlung beeinflussen Kapazität, Wirkungsgrad im ersten Zyklus und Hochstromfähigkeit erheblich.

Der Speichermechanismus ist komplexer als eine einfache Einlagerung zwischen vollkommen geordneten Schichten. Natrium kann an Defekten, zwischen ungeordneten Kohlenstoffschichten und in Nanoporen gespeichert werden. Es wird weiterhin erforscht, welchen Anteil jeder dieser Mechanismen unter praxisnahen Bedingungen hat. (Nature Communications)

Hartkohlenstoff ist nicht automatisch preiswert, nur weil seine Ausgangsstoffe reichlich vorhanden sind. Reinigung, Wärmebehandlung, Ausbeute, Gleichmäßigkeit, anfänglicher Natriumverlust und Elektrodendichte beeinflussen sowohl die Kosten als auch die Energiedichte einer fertigen Zelle.

Lithiumtitanat

Lithiumtitanat, üblicherweise mit LTO abgekürzt, ersetzt Graphit auf der Seite der negativen Elektrode durch Lithiumtitanatoxid.

LTO arbeitet bei einem höheren Potenzial als Graphit. Dies verringert die Neigung zu Lithium-Plating deutlich und ermöglicht hohe Leistung, schnelles Laden und eine lange Zyklenlebensdauer. Seine Struktur verändert sich außerdem nur sehr wenig, wenn Lithium ein- und ausgelagert wird.

Der Nachteil ist eine niedrigere Zellspannung und damit eine geringere Energiedichte bei Kombination mit einer bestimmten positiven Elektrode. LTO ist deshalb dort attraktiv, wo Leistung, Haltbarkeit, Tieftemperaturbetrieb oder häufige Ladezyklen wichtiger sind als maximale Reichweite bei begrenztem Batterievolumen.

Das US-Energieministerium bezeichnet Graphit beziehungsweise Kohlenstoff als vorherrschendes Material für Lithium-Ionen-Anoden und LTO als Alternative, die in einigen Anwendungen mit hoher Leistung oder hoher Zyklenfestigkeit eingesetzt wird. (US-Energieministerium)

Lithiummetall

Eine negative Elektrode aus Lithiummetall speichert Lithium direkt als Metall, statt es in einem Wirtsmaterial aus Graphit oder Silizium einzulagern. Durch den Verzicht auf das Wirtsmaterial könnte die Energiedichte auf Zellebene erheblich steigen.

Das zentrale Problem ist die Reversibilität. Lithium muss in jedem Zyklus gleichmäßig abgeschieden und wieder abgetragen werden. Unregelmäßige Ablagerungen, wiederholte Reaktionen mit dem Elektrolyten, inaktives Lithium, Volumenänderungen und Schäden am Separator können die Lebensdauer verkürzen und Sicherheitsrisiken verursachen. Das US-Energieministerium beschreibt Lithiummetall-Zellen als einen Weg zu kleineren und leichteren Batterien, weist jedoch zugleich auf ihre begrenzte Wiederaufladbarkeit und ihre Sicherheitsprobleme hin. (US-Energieministerium)

Lithiummetall ist nicht dasselbe wie Festkörpertechnik. Eine Lithiummetall-Zelle kann einen flüssigen, gelartigen, polymeren oder festen Elektrolyten verwenden. Eine Festkörperzelle kann Lithiummetall nutzen, aber auch eine andere negative Elektrode. Diese Begriffe beschreiben unterschiedliche Teile der Zelle.

Aktuelle Entwicklungsprogramme und kommerzielle Ankündigungen finden Sie unter Neueste Entwicklungen in der Batterietechnik.

Materialien der positiven Elektrode

Die positive Elektrode, häufig Kathode genannt, ist der Ursprung der meisten bekannten Bezeichnungen für Lithium-Ionen-Chemien. Ihre Struktur und Zusammensetzung beeinflussen Zellspannung, Kapazität, thermische Stabilität, Materialkosten und Alterung erheblich.

Das US-Energieministerium führt LFP, NMC, NCA, LMO und mehrere weitere Materialien als unterschiedliche Klassen positiver Lithium-Ionen-Elektroden auf. (US-Energieministerium)

NMC oder NCM

NMC und NCM stehen beide für Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid. Die Reihenfolge der Buchstaben unterscheidet sich je nach Namenskonvention; beide bezeichnen dieselbe allgemeine Familie geschichteter Oxidmaterialien.

Zahlen wie 111, 532, 622 und 811 beschreiben die ungefähren relativen Anteile von Nickel, Mangan und Cobalt. NMC 811 besteht beispielsweise aus ungefähr acht Teilen Nickel, einem Teil Mangan und einem Teil Cobalt.

Innerhalb dieser Familie gilt:

Nickel trägt wesentlich zur Kapazität und damit zur Energiedichte bei.
Mangan kann die strukturelle und thermische Stabilität unterstützen und die Abhängigkeit von Nickel und Cobalt verringern.
Cobalt hilft, die Schichtstruktur zu stabilisieren, und unterstützt die elektronischen Eigenschaften und die Fertigung, ist jedoch teuer und mit Risiken in der Lieferkette verbunden.

Ein höherer Nickelanteil kann die Kapazität steigern und den Cobaltbedarf senken, erhöht jedoch auch die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, hoher Spannung, Oberflächenreaktionen und Wärme. Hersteller begegnen dem mit Partikelbeschichtungen, Dotierungen, Konzentrationsgradienten, Elektrolytadditiven sowie einer strengeren Kontrolle von Fertigung und Betrieb.

Auch LG Energy Solution erläutert NCM so, dass ein höherer Nickelanteil zu größerer Kapazität führt, während die Stabilität eine technische Herausforderung darstellt. (LG Energy Solution)

Die Bezeichnung „NMC“ deckt daher ein breites Leistungsspektrum ab. Eine ältere NMC-Zelle mit geringem Nickelanteil und eine moderne nickelreiche NMC-Zelle sollten nicht als gleichwertig betrachtet werden.

NCA

NCA steht für Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid. Wie nickelreiches NMC ist es ein geschichtetes Oxidmaterial, das für hohe spezifische Energie und hohe Leistung entwickelt wurde.

Nickel liefert einen großen Teil der Kapazität, Cobalt unterstützt die Schichtstruktur und die elektronischen Eigenschaften, und Aluminium trägt zur Stabilisierung des Materials bei. NCA wird normalerweise mit einer negativen Elektrode aus Graphit oder einem Graphit-Silizium-Verbund kombiniert.

NCA kann Zellen mit hoher Energie für Elektroautos ermöglichen, doch das Ergebnis hängt von Partikeldesign, Elektrolytstabilität, Temperaturregelung und zurückhaltend gewählten Spannungsgrenzen ab. Es ist nicht grundsätzlich „besser“ als NMC; jede der beiden Familien lässt sich für andere Prioritäten optimieren.

NCMA

NCMA enthält Nickel, Cobalt, Mangan und Aluminium. Es kombiniert alle vier Metalle in einer positiven Elektrode aus geschichtetem Oxid, üblicherweise mit einem hohen Nickelanteil.

Das Ziel besteht darin, den Kapazitätsvorteil nickelreichen Materials zu erhalten und zugleich mit Mangan und Aluminium die Stabilität zu verbessern und den benötigten Cobaltanteil zu senken. LG Energy Solution beschreibt Aluminium in seinem NCMA-Material als einen Beitrag zu Leistung und Stabilität. (LG Energy Solution)

Wie bei NMC und NCA verrät das Akronym nicht die genaue Rezeptur. Metallverhältnisse, Beschichtungen, Dotierungen, Partikelstruktur, obere Spannungsgrenze und Fertigungsqualität bleiben wichtige Faktoren.

LFP

LFP steht für Lithium-Eisenphosphat. Es besitzt eine Olivin-Kristallstruktur, die auf starken Phosphatbindungen beruht, und enthält weder Nickel noch Cobalt.

Seine wichtigsten Stärken sind:

Hohe thermische und chemische Stabilität
Potenzial für eine lange Zyklenlebensdauer
Gute Leistungsfähigkeit bei entsprechender Auslegung
Geringere Abhängigkeit von Nickel- und Cobalt-Lieferketten

Seine wichtigste Einschränkung ist eine niedrigere Energiedichte auf Zellebene als bei den besten nickelreichen Schichtoxidsystemen. Die niedrigere Betriebsspannung und die geringere Materialdichte führen dazu, dass ein LFP-Akkupack für dieselbe Energie mehr Zellvolumen oder Masse benötigen kann.

LFP weist über einen großen Teil seines nutzbaren Ladezustandsbereichs außerdem eine relativ flache Spannungskurve auf. Dadurch lässt sich der Ladezustand schwerer aus der Spannung ableiten. Das Batteriemanagementsystem stützt sich deshalb stark auf Strommessung, Modelle und gelegentliche Neukalibrierung.

Das Laden bei niedrigen Temperaturen kann problematisch sein, weil die negative Elektrode üblicherweise weiterhin aus Graphit besteht. Packheizung, Zelldesign und Laderegelung sind deshalb ebenso wichtig wie die positive LFP-Elektrode selbst.

Der Ruf von LFP als langlebige Chemie bedeutet weder, dass sie gegen kalendarische Alterung immun ist, noch dass jede LFP-Batterie dauerhaft bei 100 % Ladezustand gehalten werden sollte. Halter sollten die Ladeempfehlungen des Fahrzeugherstellers beachten. Manche Empfehlungen für regelmäßiges Vollladen dienen teilweise dazu, die Ladezustandsanzeige zu kalibrieren.

LMFP

LMFP steht für Lithium-Mangan-Eisenphosphat. Es modifiziert das LFP-Material, indem ein Teil des Eisens durch Mangan ersetzt wird.

Der Mangananteil erhöht die Spannung über einen Teil der Entladekurve. Dadurch bietet LMFP das Potenzial für eine höhere Energiedichte als LFP, behält jedoch eine phosphatbasierte Struktur bei und kommt ohne Nickel und Cobalt aus.

Das Material bringt auch Herausforderungen mit sich. Dazu gehören eine geringere intrinsische elektronische und ionische Leitfähigkeit, die Auflösung von Mangan sowie die notwendige Kontrolle von Zusammensetzung und Partikelbeschichtungen. Ein aktueller Überblick zur LMFP-Entwicklung behandelt den Vorteil der höheren Spannung gemeinsam mit Einschränkungen bei Leitfähigkeit, Diffusion, Dichte und Mangan. (Engineering)

LMFP kann als eigenständiges Material für die positive Elektrode oder als Mischung mit einem anderen Material eingesetzt werden. Sein tatsächlicher Vorteil hängt vom Mangananteil, dem Spannungsfenster, der Elektrodendichte, der Zyklenlebensdauer und dem Design der vollständigen Zelle ab.

LMO und gemischte positive Elektroden

LMO bezeichnet üblicherweise Lithium-Mangan-Oxid mit Spinellstruktur. Es kann hohe Leistung und gutes thermisches Verhalten bieten, weist allein jedoch meist eine geringere Energiedichte auf und kann insbesondere bei erhöhten Temperaturen unter Manganauflösung und Kapazitätsverlust leiden.

In Automobilzellen wurde LMO häufig mit NMC gemischt. In einer solchen Mischung kann LMO die Leistungsabgabe unterstützen, während NMC Energiekapazität beisteuert. Eine gemischte Elektrode ist keine neue elektrochemische Kategorie, sondern eine gezielte Kombination, die Leistung, Lebensdauer, Kosten und Sicherheit ausbalancieren soll.

Auch andere Mischungen sind möglich. Hersteller können Materialien innerhalb einer Elektrode mischen, ein Material mit einem anderen beschichten oder die Zusammensetzung vom Kern eines Partikels bis zu seiner Oberfläche variieren. Eine kurze Chemiebezeichnung kann all diese Einzelheiten nicht erfassen.

Chemie von Natrium-Ionen-Zellen

Natrium-Ionen-Zellen arbeiten nach demselben grundlegenden „Schaukelstuhlprinzip“ wie Lithium-Ionen-Zellen: Natriumionen bewegen sich durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden, während Elektronen durch den äußeren Stromkreis fließen. Die Materialien unterscheiden sich, weil Natriumionen größer und schwerer sind und ein anderes elektrochemisches Verhalten zeigen.

Natrium ist reichlich vorhanden und weltweit breit verteilt. Natrium-Ionen-Zellen können in mehreren gängigen Ausführungen ohne Lithium, Nickel und Cobalt auskommen. Die bloße Verfügbarkeit der Materialien garantiert jedoch keinen günstigeren Akkupack. Zellausbeute, Elektrodendichte, Produktionsmaßstab, Lebensdauer, zusätzlicher Packaufwand und Reife der Lieferkette beeinflussen ebenfalls die Kosten.

Negative Elektrode von Natrium-Ionen-Zellen

Herkömmlicher Graphit speichert Lithium effizient, kann Natrium in den für kommerzielle Natrium-Ionen-Zellen normalerweise verwendeten Elektrolyten jedoch nicht gut aufnehmen. Hartkohlenstoff ist deshalb die übliche praktische Wahl.

Struktur und Oberflächenchemie des Hartkohlenstoffs müssen auf Folgendes abgestimmt werden:

Reversible Natriumkapazität
Hoher Wirkungsgrad im ersten Zyklus
Ausreichende Elektrodendichte
Stabile Bildung der Grenzschicht
Schneller Ionentransport
Gleichmäßige, skalierbare Produktion

Der Verlust im ersten Zyklus ist besonders wichtig, weil das bei der Bildung der Grenzschicht verbrauchte Natrium in späteren Zyklen nicht mehr zum Energietransport zur Verfügung steht.

Familien positiver Elektroden für Natrium-Ionen-Zellen

Die Entwicklung von Natrium-Ionen-Zellen umfasst drei große Familien positiver Elektroden:

Schichtoxide, die eine relativ hohe Kapazität und Spannung bieten können, jedoch gegenüber Luft, Feuchtigkeit oder strukturellen Veränderungen empfindlich sein können
Polyanionische Verbindungen, die stabile Gerüste wie Phosphate oder Sulfate nutzen und auf Haltbarkeit, Spannung oder thermische Stabilität ausgelegt werden können
Preußisch-Blau-Analoga, deren offene Kristallgerüste einen schnellen Natriumtransport unterstützen, die jedoch eine sorgfältige Kontrolle von Wassergehalt, Leerstellen und Materialdichte erfordern

Die wissenschaftliche Literatur nennt Schichtoxide, polyanionische Verbindungen und Preußisch-Blau-Analoga als die wichtigsten Kathodenfamilien für Natrium-Ionen-Zellen. (Nature Communications)

Diese Familien sollten nicht als eine einzige universelle „Natriumchemie“ behandelt werden. So wie sich Lithium-Ionen-Zellen mit NMC und LFP unterscheiden, können Natrium-Ionen-Zellen für unterschiedliche Verhältnisse von Energie, Leistung, Kälteverhalten, Lebensdauer und Kosten ausgelegt werden.

Einsatzgebiete von Natrium-Ionen-Zellen

Aktuelle Natrium-Ionen-Zellen besitzen im Allgemeinen eine geringere Energiedichte als führende Lithium-Ionen-Zellen für Elektroautos. Das macht sie weniger attraktiv, wenn maximale Reichweite in einem möglichst kleinen und leichten Akkupack untergebracht werden muss.

Sie können gut geeignet sein für:

Kleinere oder preisgünstigere Elektroautos
Fahrzeuge, bei denen extreme Reichweite keine Priorität hat
Hybrid-Akkupacks, die einander ergänzende Zelltypen kombinieren
Stationäre Speicher und andere Anwendungen mit geringeren Beschränkungen bei Masse und Volumen

Das Kälteverhalten kann bei manchen Natrium-Ionen-Ausführungen eine relative Stärke sein, wird aber durch den Begriff „Natrium“ nicht garantiert. Elektrodenmaterialien, Elektrolyt, Zellwiderstand, Thermosystem und Betriebsgrenzen bestimmen weiterhin die tatsächliche Leistung.

Die kommerzielle Verfügbarkeit entwickelt sich schnell. Damit dieses Grundlagenkapitel dauerhaft aktuell bleibt, werden gegenwärtige Produkte und Angaben von Anbietern unter Neueste Entwicklungen in der Batterietechnik behandelt.

Elektrolyt

Der Elektrolyt transportiert Ionen zwischen den Elektroden, sollte Elektronen jedoch blockieren. Die meisten heutigen Lithium-Ionen-Zellen für Elektroautos verwenden ein in organischen Lösungsmitteln gelöstes Lithiumsalz sowie kleine Mengen an Additiven.

Die Rezeptur beeinflusst:

Ionenleitfähigkeit
Verhalten bei niedrigen und hohen Temperaturen
Schnellladeleistung
Gasbildung
Stabilität bei hohen und niedrigen Elektrodenpotenzialen
Bildung der schützenden Elektroden-Grenzschichten
Entflammbarkeit und Verhalten bei Fehlbeanspruchung

Ein Elektrolyt, der mit Graphit und LFP gut funktioniert, eignet sich möglicherweise nicht für eine nickelreiche positive Hochvoltelektrode oder eine siliziumdominierte negative Elektrode. Hersteller passen Salze, Lösungsmittel, Additivpakete und Konzentration an die Elektroden und das Betriebsfenster an.

Natrium-Ionen-Zellen verwenden natriumhaltige Salze und kompatible Lösungsmittel. Ihre Rezepturen lösen viele der gleichen Probleme, müssen aber stabile Grenzschichten auf anderen Elektrodenmaterialien bilden.

Flüssige, gelartige, polymere und feste Elektrolyte

Festkörper beschreibt die Architektur des Elektrolyten, nicht die Chemie der positiven Elektrode. Eine Festkörperzelle kann weiterhin eine positive Elektrode vom NMC-Typ verwenden und Lithiummetall, Silizium, Graphit oder ein anderes Material als negative Elektrode nutzen.

Der Ersatz eines brennbaren flüssigen Elektrolyten kann Vorteile für Sicherheit und Bauraum bieten, feste Elektrolyte bringen jedoch andere Herausforderungen mit sich:

Engen Kontakt zwischen festen Schichten aufrechterhalten
Risse und Hohlräume verhindern, wenn sich das Volumen der Elektroden verändert
Hohe Ionenleitfähigkeit über einen breiten Temperaturbereich erreichen
Widerstände an Materialgrenzflächen beherrschen
Dünne, fehlerfreie Schichten im automobilen Maßstab fertigen

Einige als „Festkörper“ bezeichnete Konstruktionen enthalten weiterhin eine geringe Menge Flüssigkeit oder Gel. Begriffe wie halbfest, quasi-fest und Festkörper werden nicht immer einheitlich verwendet. Deshalb ist der tatsächliche Aufbau wichtiger als die Marketingbezeichnung.

SEI und CEI: Grenzschichten, die den Betrieb der Zelle ermöglichen

Der Elektrolyt ist bei den Betriebspotenzialen der Elektroden nicht vollkommen stabil. Beim ersten Laden zersetzt sich ein Teil des Elektrolyten und bildet dünne Reaktionsschichten auf ihren Oberflächen.

Die Schicht auf der negativen Elektrode heißt Festelektrolyt-Grenzschicht, auf Englisch solid-electrolyte interphase oder kurz SEI. Eine verwandte Schicht auf der positiven Elektrode wird üblicherweise als Kathoden-Elektrolyt-Grenzschicht, auf Englisch cathode-electrolyte interphase oder kurz CEI, bezeichnet.

Eine funktionsfähige Grenzschicht muss:

Lithium- oder Natriumionen leiten
Den größten Teil des Elektronenflusses blockieren
Eine fortgesetzte Zersetzung des Elektrolyten begrenzen
Beim Durchlaufen der Ladezyklen mechanisch und chemisch stabil bleiben

Die Bildung der SEI verbraucht einen Teil des aktiven Lithiums oder Natriums und verursacht damit einen Teil des anfänglichen Kapazitätsverlusts der Zelle. Wenn die Grenzschicht reißt oder sich auflöst, werden weiteres Elektrolyt und weitere aktive Ionen zu ihrer Reparatur verbraucht.

Bei Silizium ist dies besonders schwierig, weil die negative Elektrode ihr Volumen verändert. Auch bei hohen Spannungen der positiven Elektrode ist es problematisch, da Elektrolytoxidation und die Auflösung von Übergangsmetallen beide Seiten der Zelle schädigen können. Elektrolytadditive, Beschichtungen, Formierungsverfahren und Betriebsgrenzen sind deshalb zentrale Bestandteile der Chemie, obwohl sie nicht in ihrem Akronym erscheinen. (Nature Communications)

Separator

Der Separator ist eine dünne, elektrisch isolierende Membran zwischen positiver und negativer Elektrode. Seine Poren enthalten Elektrolyt und lassen Ionen passieren, während die Membran einen direkten Kontakt zwischen den Elektroden verhindert.

Gängige Separatoren für Lithium-Ionen-Zellen bestehen aus Polyethylen, Polypropylen oder mehrschichtigen Kombinationen. Keramische Beschichtungen können Hitzebeständigkeit, Benetzbarkeit, mechanische Festigkeit oder Formstabilität verbessern.

Manche Polymerseparatoren sind so ausgelegt, dass sich ihre Poren bei steigender Temperatur schließen. Dadurch steigt der Widerstand stark an und die elektrochemische Reaktion wird verlangsamt. Dieses Shutdown-Verhalten kann zusätzlichen Schutz bieten, ist aber kein vollständiges Sicherheitssystem. Wenn der Separator weiter schrumpft, reißt, durchstoßen wird oder beschädigt ist, bevor der Shutdown helfen kann, kann dennoch ein interner Kurzschluss entstehen. Untersuchungen zu Lithium-Ionen-Separatoren beschreiben sowohl den Shutdown als auch die Gefahr des Versagens bei höheren Temperaturen. (ACS Omega)

Die Eigenschaften des Separators beeinflussen auch den normalen Betrieb. Dicke, Porosität, Tortuosität, Elektrolytbenetzung, Durchstoßfestigkeit und Gleichmäßigkeit der Beschichtung wirken sich auf Widerstand, Laden, Energiedichte, Fertigungsqualität und Sicherheit aus.

Stromableiter

Stromableiter sind dünne Metallfolien, die Elektronen zwischen den Elektrodenbeschichtungen und den Zellanschlüssen transportieren.

In herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen gilt:

Die negative Elektrode wird üblicherweise auf Kupferfolie beschichtet
Die positive Elektrode wird üblicherweise auf Aluminiumfolie beschichtet

Kupfer wird auf der Graphitseite verwendet, weil Aluminium beim niedrigen Potenzial einer geladenen Graphitelektrode mit Lithium legieren kann. Aluminium ist leichter und beim höheren Potenzial der positiven Elektrode stabil.

LTO arbeitet bei einem höheren Potenzial und kann Aluminium auf der Seite der negativen Elektrode verwenden, wie das US-Energieministerium in seiner Bewertung der Lithium-Ionen-Technik feststellt. (US-Energieministerium)

Auch die Dicke des Stromableiters ist ein Kompromiss. Dünnere Folie reduziert die inaktive Masse und kann die Energiedichte verbessern. Sie muss jedoch Beschichtung, Trocknung, Kalandrierung, Wickeln oder Stapeln, Verschweißen der Kontaktfahnen und jahrelange Zyklen überstehen.

Vergleich der wichtigsten Zellsysteme für Elektroautos

Keine Zellfamilie ist bei allen Kennzahlen führend. Die folgenden Profile beschreiben typische Tendenzen, keine garantierten Eigenschaften.

Graphit oder Silizium-Graphit mit NMC, NCA oder NCMA

Typische Stärken: hohe Energiedichte, hohe Leistungsfähigkeit und umfassende Entwicklung für den Automobilbereich.

Typische Einschränkungen: größere Abhängigkeit von Nickel und teilweise Cobalt; mit steigendem Nickelanteil und höherer Zellspannung strengere Anforderungen an Thermomanagement, Spannungsregelung und Grenzschichtstabilität.

Diese Kombination ist attraktiv, wenn Reichweite und effiziente Bauraumnutzung Priorität haben. Silizium kann die Kapazität steigern, ein höherer Siliziumanteil verstärkt jedoch auch die Herausforderungen durch Ausdehnung und Grenzschichten.

Graphit mit LFP

Typische Stärken: thermische Stabilität, Potenzial für eine lange Zyklenlebensdauer, hohe Leistungsfähigkeit sowie kein Nickel oder Cobalt in der positiven Elektrode.

Typische Einschränkungen: geringere Energiedichte auf Zellebene und eine flache Spannungskurve, welche die Bestimmung des Ladezustands erschwert.

LFP kann auf Packebene äußerst wettbewerbsfähig sein, wenn eine effiziente Cell-to-Pack-Integration einen Teil des Energiedichteunterschieds auf Zellebene ausgleicht.

Graphit mit LMFP

Typische Stärken: Potenzial für mehr Energie als LFP bei Beibehaltung eines Phosphatgerüsts und Verzicht auf Nickel und Cobalt.

Typische Einschränkungen: Leitfähigkeit, Stabilität des Mangans und eine weniger ausgereifte Großserienfertigung als bei etabliertem LFP.

Die Position von LMFP hängt davon ab, ob Hersteller den Spannungsvorteil nutzen können, ohne Lebensdauer, Wirkungsgrad oder Kosten zu beeinträchtigen.

LTO mit einer positiven Lithium-Ionen-Elektrode

Typische Stärken: schnelles Laden, hohe Leistung, geringes Plating-Risiko und Potenzial für eine sehr lange Zyklenlebensdauer.

Typische Einschränkungen: niedrige Zellspannung und geringe Energiedichte, wodurch Masse und Volumen des Packs bei einer bestimmten gespeicherten Energie steigen.

Dieses System eignet sich besser für anspruchsvolle Einsatzzyklen als für Langstrecken-Pkw, bei denen eine effiziente Bauraumnutzung entscheidend ist.

Hartkohlenstoff mit einer positiven Natrium-Ionen-Elektrode

Typische Stärken: mögliche Nutzung reichlich vorhandener Materialien, bei vielen Ausführungen geringere Abhängigkeit von Lithium und Nickel sowie vielversprechende Leistungs- oder Kälteeigenschaften bei ausgewählten Zellen.

Typische Einschränkungen: geringere Energiedichte als bei führenden Lithium-Ionen-Zellen, Natriumverlust im ersten Zyklus und ein noch im Aufbau befindliches Produktionsökosystem.

Die konkrete Kathodenfamilie macht einen großen Unterschied. „Natrium-Ionen“ allein ist daher keine ausreichende Spezifikation.

Lithiummetall- und Festkörperarchitekturen

Typische Stärken: Potenzial für höhere Energiedichte und bei manchen Festelektrolyt-Ausführungen andere Sicherheits- und Bauraumeigenschaften.

Typische Einschränkungen: Grenzflächenwiderstand, ungleichmäßige Lithiumabscheidung, Druckregelung, Haltbarkeit, Temperaturanforderungen und schwierige Großserienfertigung.

Diese beiden Konzepte überschneiden sich, sind aber nicht austauschbar. Jeder Vergleich sollte beide Elektroden, den Elektrolyttyp, die Prüfbedingungen, die Zellgröße, die verbleibende Kapazität und die Frage benennen, ob die Werte für ein Material, eine Laborzelle oder eine Zelle im Automobilmaßstab gelten.

Was die Chemie für Käufer eines Elektroautos bedeutet

Die Chemie beeinflusst ein Elektroauto, sagt aber allein nicht das gesamte Nutzungserlebnis voraus.

Reichweite und Bauraum

Eine höhere Zellenergiedichte kann bei einer bestimmten Packmasse und einem bestimmten Packvolumen mehr Reichweite ermöglichen. Doch auch nutzbare Kapazität, Packstruktur, Kühltechnik, Crashschutz, Fahrzeugeffizienz und Reservepuffer sind wichtig.

Eine gut integrierte Zelle mit geringerer Energie kann deshalb ein wettbewerbsfähiges Pack ergeben, während eine Hochenergiezelle einen Teil ihres Vorteils durch schwerere Kühlung oder konservative Betriebsgrenzen verlieren kann.

Laden

Schnellladen hängt von der Fähigkeit der negativen Elektrode zur Ionenaufnahme, den Transportgrenzen der positiven Elektrode, der Elektrodendicke, dem Innenwiderstand, der Temperatur, dem Ladezustand und der Strategie des Batteriemanagements ab.

Die Chemie trägt dazu bei, die Grenzen festzulegen. Über ein bestimmtes Elektroauto sagen jedoch die Ladeleistung der Batterie und ihr Vorkonditionierungssystem mehr aus. Zwei Fahrzeuge mit LFP oder NMC können sehr unterschiedliche Ladezeiten haben.

Kaltes Wetter

Niedrige Temperaturen verlangsamen den Ionentransport und erhöhen den Widerstand. Außerdem steigt beim Laden graphitbasierter Zellen die Gefahr von Lithium-Plating.

Manche Chemien und Elektrolyte vertragen Kälte besser als andere, doch Packheizung und Software können wichtiger sein als die Chemiebezeichnung. Vergleichen Sie das tatsächliche Fahrzeugverhalten und achten Sie darauf, ob das Auto seine Batterie vor dem Schnellladen vorheizen kann.

Haltbarkeit

Die Zyklenlebensdauer hängt von Entladetiefe, Ladeleistung, Zelltemperatur, durchschnittlichem Ladezustand, der an den Spannungsgrenzen verbrachten Zeit und dem vom Hersteller freigegebenen nutzbaren Bereich ab.

Eine Chemie mit hoher Zyklenfestigkeit im Labor kann in einem heißen, bei hohem Ladezustand gehaltenen Pack schnell altern. Umgekehrt können konservative Puffer und eine wirksame Kühlung dazu beitragen, dass eine reaktivere Chemie viele Jahre hält. Unter Batteriedegradation finden Sie die Alterungsmechanismen und unter Batteriegarantie den Schutz für den Halter.

Sicherheit

Manche Materialien für positive Elektroden sind thermisch stabiler als andere, doch die Fahrzeugsicherheit lässt sich nicht allein aus dem Kathoden-Akronym ableiten. Zellqualität, Separatordesign, Elektrolytmenge, Ausbreitungsbarrieren, Sensoren, Kühlung, elektrischer Schutz, Crashstruktur und Software tragen allesamt dazu bei.

Die stabile Phosphatstruktur von LFP ist ein Vorteil, macht einen Akkupack aber nicht immun gegen Beschädigung oder Brand. Nickelreiche Zellen benötigen strengere Schutzmaßnahmen, doch ein gut konstruierter Pack kann diese Risiken beherrschen.

Kosten und Rohstoffabhängigkeit

LFP und mehrere Natrium-Ionen-Ausführungen kommen ohne Nickel und Cobalt aus, während nickelreiche Schichtoxide für eine hohe Energie auf stärker verarbeitungsintensive Materialien setzen. Zu den Packkosten gehören jedoch auch Zellausbeute, Fabrikauslastung, Packstruktur, Elektronik, Kühlung, Garantierisiko und Produktionsmaßstab.

Die Rohstoffzusammensetzung ist daher ein Teil der Kostenbetrachtung, nicht die vollständige Antwort.

Hinter derselben Bezeichnung können große Unterschiede stecken

Wenn Sie zwei Elektroautos vergleichen, sollten Sie über „LFP“ oder „NMC“ hinausblicken und fragen:

Wie groß sind Brutto- und nutzbare Batteriekapazität?
Welche Reichweite erzielt das vollständige Fahrzeug?
Wie sieht die Ladekurve unter warmen und kalten Bedingungen aus?
Unterstützt das Fahrzeug die Vorkonditionierung der Batterie?
Wie groß sind der obere und der untere Puffer?
Wie regelt der Hersteller die Temperatur?
Welche Batteriegarantie und welcher Degradationsgrenzwert gelten?
Wurde die angegebene Leistung auf Zell- oder Packebene gemessen?

Die Chemie erklärt, warum bestimmte Zielkonflikte bestehen. Die fertige Zelle, der Pack und das Fahrzeug bestimmen, wie diese Zielkonflikte im Alltag in Erscheinung treten.

Um zu sehen, wie diese Materialien verpackt und miteinander verbunden werden, lesen Sie als Nächstes Zellformate und Batteriepack und Konfiguration.