{{{sourceTextContent.title}}}

Lithium-Batterien: welche Technologien für welche Anwendungen?

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?

{{{sourceTextContent.description}}}

Seit ihrer ersten kommerziellen Einführung in den 1990er Jahren haben Lithium-Ionen-Batterien in verschiedenen Anwendungsbereichen enorme technologische und wirtschaftliche Fortschritte gemacht. Dank dieser beschleunigten Entwicklung begleiteten diese Geräte die Entwicklung der Elektromobilität seit den 2000er Jahren. Daher gelten sie als die effizienteste Technologie für Elektrofahrzeuge und in anderen Anwendungen wie der stationären Speicherung.

Was ist eine Lithium-Ionen-Batterie?

Eine Lithium-Ionen-Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der aus zwei Elektroden, einer positiven Elektrode, der Kathode, und einer negativen Elektrode, der Anode, besteht, zwischen denen sich die Lithium-Ionen während des Batteriebetriebs hin und her bewegen

Das gebräuchlichste Interkalationsmaterial für die Anode ist Graphit. Es ist bekannt für seine Fähigkeit, Lithium bei einem Potenzial nahe dem von metallischem Lithium (zwischen 0,2 V und 0 V) zu interkalieren.

Außerdem hat es eine interessantere theoretische Kapazität im Vergleich zu anderen Interkalationsmaterialien (in der Größenordnung von 356 mAh/g), wie z. B. LTO (Lithium-Titanat-Oxid), das eine theoretische Kapazität von 175 mAh/g hat. (2)

Für die Kathode wurde eine Vielzahl von Interkalationsmaterialien vorgeschlagen und verwendet, je nach Anwendung und Bedarf. Für diese Elektrode wurden verschiedene Übergangsmetalle als aktives Material verwendet, wie NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) oder LFP (Lithium-Eisen-Phosphat).

Wie unterscheiden sie sich?

Historisch gesehen sind die NMC-Batterien am weitesten verbreitet. Diese Technologie bietet eines der besten Energie-/Gewichtsverhältnisse, üblicherweise als "Energiedichte" oder "spezifische Energie" bezeichnet.

Diese Dichte nimmt bei neuen Produkten auf dem Markt ständig zu. Aufgrund dieser Leistungen haben die NMC-basierten Batterien einen großen Erfolg auf dem Automobilmarkt, der nach Leistung und Kompaktheit sucht, um Fahrzeuge anzubieten, die mit "klassischen", Benzin und Gasöl verbrauchenden Fahrzeugen konkurrenzfähig sind.

LFP-Batterien haben ein hohes Maß an Eigenstabilität und sind vielseitig einsetzbar. Diese Batterien sind bekannt für ihre thermische Stabilität bis zu einer sehr hohen Temperatur in der Größenordnung von 200°C (im Vergleich zu 150°C für eine NMC-Batterie).

Die bei hohen Temperaturen auftretende Wärmeabgabe ist auch weniger heftig als bei anderen aktiven Materialien wie NMC. Dies ist der Grund, warum das Risiko eines thermischen Durchgehens geringer ist als bei anderen Chemien. (3)

Wenn die Abmessungen der Batterie keine Einschränkung darstellen, sind LFP-Batterien daher ideal für Nutz-, Industrie- und Flurförderfahrzeuge, aber auch für stationäre Speicher oder große Fahrzeuge wie Busse oder Boote.

Dank der Entwicklung "energie-" oder "leistungsorientierter" Zellen können LFP-Batterien heute die meisten Anwendungen abdecken, die eine Energiespeicherung erfordern.

Die LFP: eine nachhaltige Technologie ?

LFP-basierte Batterien sind im wahrsten Sinne des Wortes langlebig. Ihre Lebensdauer (kalendarische und zyklische Alterung) ist eine der höchsten von Lithium-Ionen-Batterien und kann stark erhöht werden, wenn sie nicht bei jedem Zyklus vollständig entladen wird ("Micro-Cycling")

Schließlich unterliegen LFP-basierte Batterien kaum der Selbstentladung, so dass sie viele Monate ohne nennenswerte Verschlechterung ihres Ladezustands gelagert werden können.

Nachhaltig bedeutet aber auch umweltverträglich: Kobalt aus NMC-Batterien ist nicht im Überfluss vorhanden, und seine Gewinnungsbedingungen sind schwierig. Bei den LFP-Batterien sind seine Bestandteile leichter zu gewinnen und daher kostengünstiger und haben den Vorteil, ökologischer zu sein

Aus diesen Gründen hat sich SIG Energy Technology für die elektrochemische LFP-Technologie entschieden: wegen ihrer Sicherheit, Langlebigkeit und Umweltfreundlichkeit

In Zusammenarbeit mit bedeutenden Forschungszentren wie der Universität Paris-Saclay (Fakultät der Wissenschaften) ist SIG außerdem davon überzeugt, dass die LFP bald mit der Energiedichte anderer Technologien, einschließlich der NMC, konkurrieren kann

Infolgedessen könnte Tesla, das bereits LFP-Batterien für sein in China verkauftes Model 3 einsetzt, die Verwendung auf Fahrzeuge ausweiten, die für Europa und die USA bestimmt sind, und zwar noch in diesem Jahr

1. Vortragsfolien des europäischen Master-Kurses, MESC (Materials for Energy Storage and Conversion), gehalten von Dr. Charles Delacourt am LRCS, Amiens

2. Nitta, N., et al., Li-Ion battery materials: present and future. Materials Today, 2015,18(5): S. 252-264

3. M. Brand, S. Gläser, J. Geder, S. Menacher, S. Obpacher, A. Jossen, D. Quinger, Electrical safety of commercial Li-ion cells based on NMC and NCA technology compared to LFP technology, Hybrid Fuel Cell Electr. Veh. Symp. (2013).