Chinesisches MIIT: Der Weg zu Li-Ionen-Zellen mit noch größerer Kapazität führt über Mn, Si, Solid-State-Technologie und Lithiummetall

Das chinesische Ministerium für Industrie und Informationstechnologie (MIIT) hat drei Bereiche festgelegt, in denen inländische Hersteller Lithium-Ionen-Zellen weiterentwickeln sollten, um den Verbrauchern noch höhere Energiedichten anzubieten. Es handelt sich dabei um: 1/ Kathoden mit hohem Mangangehalt (LMR), 2/ auf Silizium basierende Anoden und vor allem 3/ feste Elektrolyte. Durch diese Letzteren wird das Sicherheitsniveau der Zellen erhöht, es werden höhere Ladeleistungen möglich sowie Lithium-Anoden mit der maximal verfügbaren Energiedichte.

China weist den Weg in die Zukunft

Durch den Einsatz von Kathoden mit hohem Mangangehalt [und Lithiumgehalt – Anm. d. Red.] können Unternehmen sich teilweise von der Abhängigkeit von teurem Kobalt und recht kostspieligem Nickel befreien. Kathoden, die mehr als 50–60 Prozent Mangang enthalten (in Li-NCx: etwa 10–20 Prozent), weisen Probleme bei der Degradation auf, weshalb Hersteller in der Vergangenheit eher einen hohen Nickelgehalt bevorzugten. Doch Mangang liefert heute immer vielversprechendere Ergebnisse (Quelle). Zudem ermöglicht er den Einsatz hoher Ladespannungen, was eine schnellere Energierückgewinnung bedeutet – allerdings auf Kosten einer beschleunigten Degradation.

Durch die Senkung der Spannungen auf das Niveau von Li-NCx liegen die Energiedichten der LMR-Zellen knapp unter denen von Li-NCx (NCM811), bei etwa 0,28 kWh/kg, wobei die Kosten denen von LFP ähneln.

Von Ford entwickelte Prototypzellen für LMR

Ein ebenso wichtiger Entwicklungsansatz ist die Optimierung der Anoden in Richtung eines möglichst hohen Siliziumgehalts. Silizium kann mehrfach so viele Lithiumionen (Atome) aufnehmen wie Graphit, was automatisch zu einer höheren Kapazität führt. Ein Problem solcher Anoden ist das Aufquellen und die schnelle Degradation – die in die Struktur eindringenden Lithiumionen zerstören schlichtweg die Bindungen, die die Siliziumstruktur zusammenhalten. Vorteile? Potenzielle Energiedichten, die 0,3 kWh/kg überschreiten und sogar bis zu 0,45 kWh/kg erreichen.

Verschiedene Ansätze zur Verwendung von Silizium in den Anoden von Li-Ionen-Zellen. Diashow aus dem Jahr 2020, weiterhin aktuell, zumindest in den ersten drei Feldern von links (c) Tesla

Der „Mangan-Weg“ ist die schnellste Lösung, wenn es darum geht, die Energiedichte zu erhöhen (LFP → LMR), ohne die Kosten in die Höhe treiben zu lassen. Der „Silizium-Weg“ bietet zwar hohe Energiedichten, doch zu höheren Kosten. Das endgültige Ziel der Entwicklung sind jedoch Solid-State-Zellen. Ein fester Elektrolyt bedeutet eine Lösung des Entzündungsproblems, zudem ist es bei dieser Art von Batterien (ASSB) möglich, NCx-Kathoden oder neue Mangan-Kathoden zu verwenden, um Energiedichten von 0,4–0,5 kWh/kg zu erreichen und sogar zu übertreffen. Die Kosten für die Anode entfallen, da diese während der Betriebszeit der Zelle aus Lithium aufgebaut wird (Li-Metall).

Anmerkung der Redaktion von Elektrowozu: Angesichts der Tatsache, dass das MIIT seit Jahren an der Entwicklung neuer Zellen arbeitet, können wir annehmen, dass die neuen Richtlinien zumindest teilweise den aktuellen Stand der Dinge beschreiben, also bereits verfügbare Produkte.

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