LG entwickelt einen günstigeren Akku als LFP-Akkus mit 33 Prozent höherer Energiedichte.

LG Energy Solution hat soeben einen wichtigen Schritt unternommen, um eines der Probleme zu lösen, die seit Jahren eine besonders vielversprechende Chemie behinderten. Das südkoreanische Unternehmen hat in Zusammenarbeit mit der Nationalen Universität Seoul die Haltbarkeit von mangangehaltigen LMR-Batterien erheblich verbessert und deren Funktionsfähigkeit in großformatigen Zellen unter Beweis gestellt, die für Elektroautos konzipiert sind.

Die in Nature Communications veröffentlichte Forschung zeigt, dass eine LMR-Zelle mit einer Kapazität von über 40 Ah nach 883 vollständigen Lade- und Entladezyklen noch 92,2 Prozent ihrer ursprünglichen Energie beibehält. Interessant ist nicht nur diese Zahl, sondern auch die Art und Weise, wie die Forscher sie erreicht haben: indem sie die Betriebsbedingungen der Batterie anpassten, um die Reaktionen mit Sauerstoff besser kontrollieren zu können.

Die LMR-Technologie, die englische Abkürzung für Mangangereiche Lithiumbatterien, steht seit Jahren als mögliche Alternative zu Batterien mit hohem Nickel- und Kobaltgehalt zur Diskussion. In den aktuellen Hochleistungschemikalien ermöglichen diese Materialien eine hohe Energiedichte, erhöhen aber gleichzeitig die Kosten des Produkts. Mangan hingegen ist weitaus häufiger und günstiger verfügbar.

In den von General Motors und LG Energy Solution entwickelten LMR-Zellen liegt der Anteil an Mangan bei etwa 65 Prozent und an Nickel bei 35 Prozent, wobei das Kobalt nur in geringen Mengen enthalten ist. GM behauptet, dass diese Zusammensetzung eine Energiedichte ermöglicht, die um etwa 33 Prozent höher ist als bei den besten LFP-Batterien – zu vergleichbaren Kosten.

Dies war genau das Problem. LMR-Batterien nutzen ebenfalls den Sauerstoff im Elektrodenmaterial zur Energiespeicherung. Während des Aufladens oxidiert sich ein Teil dieses Sauerstoffs, und wenn er anschließend beim Entladen nicht richtig in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren kann, kann dies Schäden an der inneren Struktur der Zelle verursachen. Zudem entsteht Gas, was besonders problematisch ist, wenn es um große Zellen für Elektroautos geht, bei denen der verfügbare Raum begrenzt ist und ein Anstieg des Innendrucks die Alterung beschleunigen kann.

Forscher von LG Energy Solution und der Nationalen Universität Seoul stellten fest, dass die Lösung größtenteils darin bestand, das Betriebsfenster besser zu kontrollieren. Durch Senkung der maximalen Ladespannung von 4,6 auf 4,3 Volt stieg die Wiederherstellung des oxidierten Sauerstoffs von 86 % auf 97 %. Zudem konnten sie nachweisen, dass eine Senkung der minimalen Entladespannung von 3,0 auf 2,0 Volt es ermöglichte, dass der Sauerstoff nahezu in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrte.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse änderte das Team sowohl den Spannungsbereich als auch den ursprünglichen Herstellungsprozess der Zellen. Auch diese letzte Phase wurde bei niedrigerer Temperatur durchgeführt, um die Gasentstehung weiter zu verringern. Das Ergebnis war eine großformatige LMR-Zelle mit einer Kapazität von über 40 Ah, die nach 883 vollständigen Zyklen noch 92,2 % ihrer Energie beibehielt. Die Studie weist außerdem auf eine spezifische Energie von 663 Wh/kg hin, wobei als Referenz die Masse des aktiven Materials am positiven Elektrodenende herangezogen wird – diese Zahl sollte jedoch nicht mit der Energiedichte des gesamten Autobatteriepakets verwechselt werden.

Aus Sicht einer Elektroauto-Batterie mag es scheinen, dass 883 Zyklen nicht allzu viele sind, doch dieser Wert ändert sich, wenn man ihn in zurückgelegte Kilometer umrechnet. Wenn wir als Referenz ein Auto mit einer Reichweite von etwa 640 Kilometern heranziehen, entsprechen 883 vollständige Zyklen ungefähr 565.000 Kilometern. Bei dieser Nutzung hätte die Batterie laut Laborergebnissen etwa 8 % ihrer anfänglichen Energie verloren.

Und es gibt noch einen besonders wichtigen Aspekt: Der Fortschritt hängt nicht davon ab, ein völlig neues Material einzuführen oder die Batteriefabriken vollständig umzubauen. Die Forscher haben nachgewiesen, dass ein wesentlicher Teil des Problems einfach durch die Optimierung der elektrochemischen Betriebsbedingungen gelöst werden kann. Das eröffnet den Weg für eine viel einfachere Implementierung, falls die Ergebnisse bestehen bleiben, wenn diese Technologie in die großtechnische industrielle Produktion übergeht.

Zudem handelt es sich nicht um eine Chemie, die nur im Labor bleibt. General Motors und LG Energy Solution arbeiten bereits daran, LMR-Batterien in Serien-Elektroautos einzusetzen. Beide Unternehmen planen, die Vorproduktion der prismatischen LMR-Zellen Ende 2027 zu beginnen und die kommerzielle Produktion in den Vereinigten Staaten im Jahr 2028 über Ultium Cells in Gang zu setzen.

Das ursprüngliche Ziel sind die großen Elektro-SUVs und -Pick-ups von GM, bei denen das Gewicht sowie die Kosten einer Hochkapazitätsbatterie besonders große Auswirkungen haben. Das Unternehmen möchte eine Reichweite von über 640 Kilometern beibehalten und gleichzeitig die Kosten im Vergleich zu aktuellen Batterien mit hohem Nickelanteil senken. Tatsächlich arbeitet GM bereits seit 2015 mit dieser Chemie und behauptet, bereits Hunderte von großformatigen Prismenzellen in verschiedenen Konfigurationen getestet zu haben.

Die Kombination ist besonders interessant, da LMR-Batterien einen Zwischenraum zwischen LFP-Batterien und chemischen Systemen mit hohem Nickelanteil einnehmen können. Der erste Vorteil ist die geringere Kostenstruktur im Vergleich zu Manganbatterien; der zweite ist eine deutlich höhere Energiedichte als bei LFP-Batterien; und der dritte ist die Möglichkeit, eine hohe Autonomie ohne den Einsatz großer Mengen an Nickel und Kobalt zu erreichen.

No ist noch zu beweisen, wie sich diese Technologie in Millionen von serienmäßig hergestellten Zellen unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen eines Elektroautos verhalten wird. Ebenso muss geprüft werden, welche Energiedichte das gesamte Batteriepaket letztendlich erreicht und wie sich sein Verhalten nach Tausenden von Zyklen entwickelt. Doch der jetzt von LG Energy Solution und der Nationalen Universität Seoul veröffentlichte Fortschritt beseitigt eines der größten Hindernisse, die die LMR-Batterien seit Jahren zurückhielten: die durch irreversible Reaktionen des Sauerstoffs und die Gasentstehung verursachte Degradation.

Falls die von GM und LG Energy Solution geplante Industrialisierung termingerecht abgeschlossen wird, werden die ersten Anwendungen im Jahr 2028 verfügbar sein. Das bedeutet, dass eine Batterie, die eine hohe Autonomie bietet, deutlich weniger Kobalt verwendet und die Produktionskosten senkt, möglicherweise viel näher bei den Elektroautos ist, die wir täglich nutzen, als es noch vor einigen Jahren schien.

Quelle | LG

Kernpunkte

Die Chemie verwendet etwa 65 % Mangan und 35 % Nickel, mit nur sehr wenig Kobalt.

Laut GM kann die Energiedichte um 33 % höher sein als bei den besten LFP-Batterien.

Eine Zelle mit mehr als 40 Ah behielt nach 883 Zyklen 92,2 % ihrer Energie bei.

Durch die Steuerung der Lade- und Entladespannung lässt sich bis zu 97 % des oxidierten Sauerstoffs zurückgewinnen.

GM und LG Energy Solution planen, die kommerzielle Produktion von LMR-Zellen im Jahr 2028 aufzunehmen.

Die ersten Anwendungen richten sich an große elektrische SUVs und Pick-ups von GM.

Mit einer Reichweite von etwa 640 Kilometern entsprechen 883 Zyklen ungefähr 565.000 Kilometern.