Die Insider-Geschichte von EV-Batterien: NCM, NCA, LFP und Festkörperchemie entmystifizieren

Der Hauptgrund dafür, dass Elektrofahrzeuge die Transportlast nicht vollständig übernommen haben, ist der Technologiestand ihrer Hochspannungsbatterien. Obwohl im letzten Jahrzehnt große Fortschritte auf diesem Gebiet erzielt wurden, erreicht der Energiegehalt der Batterien bei weitem nicht den Energiegehalt der flüssigen Kraftstoffe. Der heilige Gral der Automobilforschung ist eine Batterie mit deutlich höherer Energiedichte als derzeit verfügbar. Deshalb haben wir uns entschlossen, einen Überblick über die aktuellen und vielversprechenden kommenden Batterietechnologien zu geben und Sie auf den neuesten Stand zu bringen.

Derzeit verwendete Technologien

Lithiumionen – NCM- und NCA-Kathode

Lithium-Ionen-Akkus gibt es seit etwa 30 Jahren, als Sony sie in einem kommerziellen Gerät einführte – dem Sony CCD-TR1-Camcorder. Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku? Kurz gesagt, Lithiumionen wandern von der Anode zur Kathode hin und her. Während der Entladung sendet die Anode Lithiumionen an die Kathode. Die Lithiumionen wandern durch flüssige Elektrolyte, während Elektronen durch den externen Stromkreis wandern und in der Kathode der Zelle rekombinieren. Beim Laden passiert das Gegenteil.

Heutzutage werden in Elektrofahrzeugen fast ausschließlich die Lithium-Ionen-Hochvoltbatterietypen NCM und NCA eingesetzt. N steht für Nickel, C für Kobalt, M für Mangan und A für Aluminium. Abhängig vom Anteil dieser Materialien in der Kathode der Batterie werden unterschiedliche Eigenschaften erreicht. Beispielsweise bedeutet eine NCM 712-Batterie, dass sie aus 70 % Nickel, 10 % Kobalt und 20 % Mangan besteht. Im Allgemeinen gilt: Je höher der Nickelanteil in der Batterie, desto höher ist die Energiedichte, die die Batterie liefern kann, was sich deutlich positiv auf das Gewicht und die Abmessungen des Batteriepakets auswirkt.

Aufgrund der Knappheit von Kobalt in der Erdkruste und der fragwürdigen Bergbauethik (Kinderarbeit) versuchen Batteriehersteller, Chemikalien mit einem geringeren Anteil des Materials zu verwenden oder es ganz auszuschließen. Die Kombination aus Kathode mit hohem Nickelgehalt, Anordnung von Zelle zu Packung und Silizium in der Anode kann die Energiedichte auf bis zu 325 Wh/kg bringen. Man könnte sagen, dass dieser Batterietyp an seine technologischen Grenzen stößt.

Lithium-Ionen – LFP-Kathode

Eine weitere Alternative für die Kathode der Li-Ionen-Batterien ist die Verwendung von Lithiumeisenphosphat. Obwohl die Leistung dieses Batterietyps im Allgemeinen geringer ist als die des NMC-Typs, wird er von einigen Herstellern aufgrund seiner höheren Lebensdauer und der günstigeren und gebräuchlicheren Materialien bevorzugt. Die spezifische Energiedichte ist hier aufgrund zweier Hauptfaktoren geringer.

Erstens, weil die maximale Spannung niedriger ist, bedeutet das, dass wir bei gleicher Kapazität weniger kWh erhalten, und zweitens, weil sich die Lithiumionen in einer räumlichen Dimension bewegen (statt zwei in NMC-Batterien). Da sich Lithium-Ionen nur in einer Raumdimension bewegen, ist auch die maximale Entladeleistung der Batterie geringer, weshalb diese Art von Batterie nicht für Hochleistungsanwendungen geeignet ist.

Aus diesem Grund verwendet Tesla diese Art der Batteriechemie nur für die Basisversion des Model 3. Diese Art von Batterie hat jedoch zwei große Vorteile. Seine Langlebigkeit gilt als höher als bei anderen Li-Ionen-Typen und er lässt sich nicht nur problemlos auf 100 % aufladen, sondern ist auch eine echte Empfehlung für diese Akkus.

Mögliche zukünftige Technologien

Lithium - Luft

Lithium-Luft-Batterien sind derzeit größtenteils ein technologisches Projekt und befinden sich in der Forschung, aber dieser Batterietyp scheint der vielversprechendste von allen zu sein und weist mit 11,4 kWh/kg eine ähnliche spezifische Energiekapazität wie flüssige Kraftstoffe auf. Das Lithium befindet sich in der Anode, während sich Luft in der Kathode befindet und diese beiden durch den Elektrolyten getrennt sind. Beim Entladen wandern Lithiumionen von der Anode zur Kathode, wo Luft vorhanden ist, und reagieren mit dem Sauerstoff.

Leider verhindern hohe Temperaturen während des Ladevorgangs ein schnelles Wiederaufladen der Batterie, während die Bildung von Dendriten während des Prozesses die Lebensdauer der Batterie stark verkürzt, sodass ihre Verwendung derzeit auf die Laborumgebung beschränkt ist. Wenn die technologischen Herausforderungen gemeistert werden und die Kosten angemessen sind, werden die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor über Nacht obsolet.

Solid State

Sie gilt als der Heilige Gral der Autobatterien und derzeit werden von allen Giganten der Automobilindustrie umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt. Heutige herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden flüssige Elektrolyte und einen Separator, um Anode von Kathode zu trennen. Bei der Festkörperbatterie wird der flüssige Elektrolyt und der Separator durch einen festen Elektrolyten ersetzt.

Forscher evaluieren derzeit eine Reihe von Optionen für den Festelektrolyten, darunter sowohl metallische als auch keramische Substanzen. Während derzeit noch kein Elektrofahrzeug diese Batterietechnologie nutzt, wird erwartet, dass die ersten Serienmodelle innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre auf den Markt kommen. Es wird erwartet, dass diese Batterie eine spezifische Energiedichte bietet, die doppelt so hoch ist wie die von herkömmlichen Li-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten, und gleichzeitig eine Lebensdauer von 1.000 Zyklen beibehält. Diese Schätzungen könnten sich jedoch mit fortschreitender Entwicklung möglicherweise verbessern.