Wie bereits erläutert, umfasst der Begriff „Lithium-Ionen-Batterie“ eine Vielzahl von Technologien. Es ist möglich, für jede positive und negative Elektrode (Anode oder Kathode) unterschiedliche chemische Zusammensetzungen zu verwenden. Jede Technologie hat ihre Vorzüge, wie die folgende Abbildung aus einem öffentlichen Bericht der Boston Consulting Group zeigt.
Abbildung 4: Vor- und Nachteile verschiedener Lithium-Ionen-Positivelektrodenmaterialien
Der Name jeder Technologie leitet sich von den aktiven Materialien ihrer Elektroden ab. Sehr oft stammt er direkt vom Namen des aktiven Materials der positiven Elektrode. Um diese Optionen zu vergleichen, werden in der Regel die in der vorherigen Abbildung verwendeten Merkmale herangezogen (spezifische Leistung, spezifische Energie, Kosten, Lebensdauer, Sicherheit). Bei der Batterielebensdauer sind zwei Hauptmerkmale zu berücksichtigen:
- Lebensdauer: Alterung im Gebrauch. Ein Zyklus entspricht einer vollständigen Entladung gefolgt von einer vollständigen Aufladung.
- Kalenderlebensdauer: Alterung bei Lagerung (ohne Zyklisierung). Das Phänomen tritt in der Regel bei hohem Ladezustand und hohen Temperaturen (>35 °C) auf.
Einige Lithiumtechnologien können bei diesen beiden Arten der Alterung unterschiedliche Verhaltensweisen aufweisen.
LiCoO2 (LCO)
Dies ist die Technologie des ersten Lithium-Ionen-Akkus, der 1991 von Sony auf den Markt gebracht wurde. Er zeichnet sich durch eine sehr hohe Energiedichte und einen relativ einfachen Herstellungsprozess aus. Dennoch führt die Instabilität von Kobaltoxid (CoO2) zu einer geringen intrinsischen Sicherheit, und Spekulationen über den Kobaltpreis treiben den Preis in die Höhe. Diese Technologie wird nach wie vor in Mobiltelefonen und Laptops verwendet. Besonders bekannt wurde sie Mitte der 2000er Jahre durch Brände in Mobiltelefonen und Laptops (Sony hat dadurch viel Geld verloren) und in jüngerer Zeit durch die Boeing 787, die aufgrund fehlerhafter Batterien am Boden bleiben musste.
LiMn₂O₄ (LMO)
Diese Technologie kam kurz nach der LCO auf den Markt. Sie ermöglicht es, auf das Problem der Kobalt-Spekulation zu reagieren, indem auf ein hochverfügbares und kostengünstiges Material umgestellt wird: Mangan. Die Energiedichte ist etwas geringer als bei der LCO, bleibt aber dennoch sehr interessant. Darüber hinaus ist die intrinsische Sicherheit des LMO-Aktivmaterials viel besser als die von LCO. Große Hersteller wie GS Yuaso und AESC (Joint Venture zwischen Nec und Nissan) haben viel in diese Technologie investiert. Der größte Nachteil ist die geringe Lebensdauer bei Temperaturen um 35-45 °C. Dies führte zu einer Sammelklage gegen Nissan durch Leaf-Besitzer in Colorado.
LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂ (NMC)
Diese Technologie wurde entwickelt, um die Probleme von LCO auszugleichen, insbesondere hinsichtlich der Alterung bei vollständigen Lade-/Entladezyklen. Sie hat eine etwas geringere Leistung als LCO in Bezug auf die Energiedichte, ist jedoch im Falle eines Sicherheitsvorfalls stabiler, auch wenn sie reaktiver ist als LMO.
NMC umfasst eine Familie von Strukturen, da die Anteile von Nickel, Mangan und Kobalt angepasst werden können. Die am weitesten entwickelte Struktur ist 111 NMC (gleiche Anteile jedes Materials): Sie ist im Allgemeinen ein guter Kompromiss, der eine sehr gute Energiedichte zu erschwinglichen Kosten bietet und darüber hinaus eine bessere Stabilität als LCO aufweist. Es werden auch andere Verhältnisse verwendet, wie beispielsweise 442 NMC oder 622 NMC, die ebenfalls häufig zum Einsatz kommen.
NCA (Nickel, Kobalt, Aluminium)
Die NCA-Technologie wurde entwickelt, um eine maximale Energiedichte zu erzielen. Diese Technologie wurde ursprünglich von Panasonic und Saft entwickelt. Sie wird heute in Elektrofahrzeugen von Tesla verwendet. NCA ist sehr reaktiv, und es ist eine Herausforderung, die Sicherheit in einem großen Batteriesystem zu gewährleisten. Aus diesem Grund verwendet Tesla viele kleine Batteriezellen mit einem Standardformat (18650: Standardformat hauptsächlich für Laptops und Elektrowerkzeuge). Die Sicherheit des Systems lässt sich daher mit Schutzkonstruktionen leichter gewährleisten.
LiFePO4 (LFP)
Die LFP-Technologie wurde ursprünglich von Hydroquebec patentiert. Auch die CEA hat seit Beginn der 2000er Jahre intensiv an dieser Technologie gearbeitet und besitzt ebenfalls einige Patente für dieses aktive Material. LFP verwendet keine spekulativen Materialien (weder Kobalt noch Nickel), weist eine gute intrinsische Sicherheit (wie LMO) und eine sehr gute Lebensdauer (Kalender- und Zykluslebensdauer) auf. Der größte Nachteil besteht darin, dass die Energiedichte um 20 bis 50 % geringer ist als bei anderen Chemikalien (hauptsächlich aufgrund einer niedrigeren Nennspannung von 3,2 V gegenüber 3,6 V). Es wird häufig von chinesischen Herstellern und Integratoren verwendet, aber alle großen Lithiumzellenlieferanten haben mittlerweile ein LFP-Produkt in ihrem Portfolio, vor allem aufgrund seiner hohen Leistung und Lebensdauer.
Abbildung 2: Die verschiedenen positiven Elektrodenmaterialien
Inflationsrisiken im Zusammenhang mit Kobalt
Wie bereits erläutert, enthalten nur LFP und LMO kein Kobalt und werden in großen Mengen zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet. LFP hat eine deutlich geringere Energiedichte als kobaltbasierte Chemikalien; LMO hat eine sehr gute Energiedichte, aber eine viel geringere Lebensdauer. Im Falle einer Kobaltknappheit sind diese beiden Chemikalien ein sicherer Hafen.
Kobaltproduktion nach Ländern
Kobaltverbrauch pro Markt
Massenanteil jedes Materials für ein Batteriemodul
Das aktive Material 111 NMC besteht zu 1/3 aus Co, zu 1/3 aus Mn und zu 1/3 aus Ni. Bei den Materialien 622 und 811 NMC steigt der Nickelanteil stark an, während der Kobaltgehalt sinkt. Das aktive Material macht nur einen kleinen Teil der Gesamtmasse der Zelle aus: 26 % laut der folgenden Grafik (Quelle: Royal Society of Chemistry: http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2013/ra/c3ra45748f).
Die Zellmasse macht ebenfalls nur einen kleinen Teil der Gesamtmasse des Moduls aus: 6,5 kg von 12 kg, was einem Anteil von 54 % entspricht. Der Massenanteil der verschiedenen aktiven Materialien für ein Modul mit einer Masse von 12 kg ist in der folgenden Tabelle dargestellt:
