Im letzten WATTALPS TechLetter haben wir die verschiedenen auf dem Markt verfügbaren Technologien für positive Elektroden vorgestellt. Nun wollen wir uns mit den negativen Elektroden befassen.
Li-Metall
Es handelt sich um die offensichtlichste negative Elektrode, die üblicherweise in Laboren verwendet wird. In diesem speziellen Fall kann man argumentieren, dass es sich nicht um eine reine Lithium-Ionen-Technologie handelt, da an der negativen Elektrode eine Materialumwandlung stattfindet, bei der Lithium-Ionen zu Lithiummetall werden (anstatt sich in eine Matrix einzufügen). Der große Vorteil dieser Technologie ist eine sehr hohe Energiedichte. Der Nachteil ist, dass sie aufgrund der starken strukturellen Veränderung der negativen Elektrode während der Entladung (das Lithiummetall wird verbraucht) sehr schwer zu beherrschen ist. Der hohe Lithiumgehalt ist zwar der Schlüssel zu einer hohen Energie, erschwert aber auch die Optimierung der Sicherheit der Zelle. Denn Lithium ist in metallischer Form ein pyrophores Material. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, während des Ladevorgangs eine gute Homogenität der Lithiummetallbildung aufrechtzuerhalten: Wenn die Oberfläche nicht homogen ist, bilden sich leichter Strompfade, die zu größeren Verzerrungen führen. Dieses Phänomen kann zur Bildung von Dendriten führen, die den Zellseparator durchdringen und einen Kurzschluss innerhalb der Zelle verursachen können. Der Bau großer Speichersysteme ist daher mit Risiken verbunden. Die Bolloré-Gruppe ist bei dieser Technologie sehr weit fortgeschritten und hat sie mit einer Polymermembran und einer LFP-Positivelektrode kombiniert, um sie sicher zu machen. Dennoch muss die Bolloré-Batterie auf 80 °C erhitzt werden, um Strom zu liefern. Ein Stromverbrauch von 10 kWh pro 24 Stunden ist erforderlich, um die Autolib-Batterien auf dieser Temperatur zu halten (10 kWh entsprechen einer Reichweite von etwa 50 km).
Graphit
Graphit ist das am häufigsten verwendete Material für Lithium-Ionen-Negativelektroden. Es hat einen Marktanteil von etwa 95 %. Manchmal wird es mit etwas Silizium gemischt, um seine spezifische Kapazität zu erhöhen, aber wenn der Siliziumgehalt steigt, treten Probleme mit der tatsächlichen Lebensdauer auf. Graphit hat eine sehr gute Energiedichte, eine gute Stabilität während des Ladezyklus und ist kostengünstig. Das Hauptproblem besteht darin, dass es bei Kontakt mit dem Elektrolyten der Zelle nicht sehr stabil ist. Zwischen dem Graphit und dem Elektrolyten bildet sich dann eine Passivierungsschicht, deren Beherrschung komplex ist, um sowohl die Lebensdauer als auch die Leistung zu gewährleisten. Diese Schicht muss nämlich Lithium-Ionen leicht durchlassen und gleichzeitig verhindern, dass der Elektrolyt, in dem sich die Lithium-Ionen bewegen, mit dem Graphit in Berührung kommt.
Das elektrochemische Potenzial von Graphit liegt nahe dem von Lithiummetall (0,15 V darüber). Wenn also der Widerstand zwischen der Passivierungsschicht und dem negativen Stromkollektor hoch ist (Aufladung bei niedriger Temperatur, alter Akku ...), kann das Graphit das Potenzial von Lithiummetall erreichen. In diesem Fall dringen die Lithium-Ionen nicht in die Graphitstruktur ein, sondern bilden eine Lithium-Metall-Schicht auf der Oberfläche des Graphits. Dann können sich Dendriten bilden, die zu einem internen Kurzschluss der Zelle führen und diese schließlich zerstören können. Um dies zu vermeiden, ist das Laden von Lithium-Ionen-Batterien unter 0 °C sehr oft verboten und der Ladestrom wird in Abhängigkeit von der Temperatur begrenzt.
Li4Ti5012 (LTO oder Titanat)
Die Forschung zu LTO für Lithium-Ionen-Batterien begann 1993. Und wir mussten bis 2008 warten, bis Toshiba eine Lithium-Ionen-Zelle mit dieser Technologie auf den Markt bringen konnte. Im Vergleich zu Graphit hat LTO den großen Vorteil, dass es keine Passivierungsschicht an der Grenzfläche zum Elektrolyten aufweist. Dadurch weisen LTO-Zellen ein ausgezeichnetes Verhalten in Bezug auf Zyklen und Leistung auf. Darüber hinaus ist sein elektrochemisches Potenzial um 1,55 V höher als das von Lithiummetall, wodurch es einen viel höheren Spielraum zur Vermeidung von Lithiumplattierung bietet. Diese Eigenschaften erhöhen seine Fähigkeit, bei niedrigen Temperaturen zu laden, und verlängern seine Lebensdauer.
Die Nachteile dieser Technologie sind ihre geringere Energiedichte und ihre Kosten. LTO ist in der Tat deutlich teurer als Graphit, und das elektrochemische Potenzial von LTO senkt die Zellspannung. Von einer Nennspannung von 3,7 V für Graphit/NMC-Zellen erhalten wir eine Nennspannung von 2,3 V mit LTO/NMC-Zellen. Die Energiedichte ist daher stark verringert und sogar geringer als die von Graphit/LFP-Zellen.
