SK prahlt damit, in der LFP die Nanoröhren in der Paste durch Pulver ersetzt zu haben. Das ist wohl die erste offizielle Bestätigung der Nanoröhren.

Der südkoreanische Hersteller von Li-Ionen-Zellen und -Batterien, SK On, gab an, in der Lage gewesen zu sein, LFP-Zellkathoden herzustellen, bei denen die in der Paste enthaltenen Nanoröhren durch Nanoröhren in Pulverform ersetzt wurden. Das mag nicht besonders beeindruckend klingen, erklärt aber tatsächlich einiges zu den enormen Durchbrüchen, die wir in den letzten Jahren im Bereich der in China hergestellten Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen beobachtet haben.

Die LFP-Situation wird etwas verständlicher

Inhaltsverzeichnis

Die LFP-Situation wird etwas verständlicher

Wie funktioniert das Aufladen einer Li-Ionen-Zelle

Offiziell bestätigte Nanoröhren

Wie funktioniert das Aufladen einer Li-Ionen-Zelle

Noch zu Beginn dieses Jahrzehnts hatten Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LFP) eine geringe Energiedichte und luden sich langsam, wobei ihre Hauptvorteile im Vergleich zu Li-NCM in einer etwas langsameren Degradation und niedrigeren Kosten lagen. Seit 2024 erzielen chinesische LFP-Batterien Rekordwerte hinsichtlich der Ladegeschwindigkeit, ihre Energiedichte haben die von Li-NCM eingeholt und die Preise sind nicht nur nicht gestiegen, sondern sogar gefallen. Eine Mitteilung von SK On, auf die der Portal The Elec zugreifen konnte, erklärt viele Aspekte in diesem Bereich ausführlich.

Ionenfluss von Lithium während des Ladevorgangs. Sichtbar die Kathode (links) und die Anode (rechts) (c) US DoE

Der Ladevorgang einer Li-Ionen-Zelle besteht darin, Lithiumionen von der Kathode zur Anode zu pumpen. Anoden bestehen hauptsächlich aus Graphit, dessen Struktur aus ausgedehnten Schichten von Kohlenstoffatomen mit viel Raum dazwischen besteht. Es gibt keine Gitterstruktur. Wenn ein Lithiumion in eine solche Spalte gerät, hat es auf beiden Seiten riesige Räume, die sich in seiner Skala bis zum Horizont erstrecken, in denen es genau dort verweilen kann, wo ihm ein Elektron zugeführt wird.

Doch diese Lithiumionen müssen irgendwoher dorthin gelangen – sie müssen von der Kathode herangetrieben werden. Das Problem ist, dass Kathoden weitaus komplexere kristalline Strukturen aufweisen (in der obigen Abbildung: grün, links). Damit die Lithiumionen aus ihnen entweichen können, müssen sie sich winden. Bisher war unklar, wie es den Chinesen gelungen ist, ihre Kathoden dazu zu bringen, Ionen in solch schnellem Tempo abzugeben. Zumindest offiziell, denn es gab Vermutungen bezüglich von Nanoröhren, einer angereicherten und vorläufig gebildeten SEI-Schicht oder freien Lithiumionen, die in der Elektrolytlösung schweben.

Offiziell bestätigte Nanoröhren

Und nun die Information von SK On, das vermutlich während der Entwicklung eigener LFP-Zellen die besten chinesischen Zellen nachgebaut hat: „In den Kathoden verwenden wir Nanoröhren“. Diese wurden früher in Form einer Paste (also mit Lösungsmittel) aufgetragen, sind nun aber in Pulverform erhältlich. Es besteht kein Zweifel daran, dass die Koreaner ihre „Entdeckung“ bei den Chinesen übernommen haben, denn diese gehören weltweit zu den Spitzenreitern bei der Herstellung von LFP-Zellen. Mit anderen Worten: Chinesische LFP-Zellen können mit solch enormen Leistungen aufgeladen werden (= die Kathoden geben Lithiumionen blitzschnell frei), weil die Unternehmen aus China Nanoröhren in ihnen eingesetzt haben. Sie fungieren wie Autobahnen oder Rohre, durch die Lithiumionen ohne Umwege durch die Kristallstruktur direkt aus der Kathode austreten können.

SK On war erst im Jahr 2023 für die Produktion von LFP-Zellen bereit

Es ist unklar, ob Nanoröhren auch in den Anoden vorkommen, doch dort könnte eine andere Kohlenstoffform wichtiger sein: Graphen [weitreichende Vermutungen der Redaktion von Elektrowoz]. Sein Netz, das die Graphitkörner umgibt, ermöglicht es durch das Beimischen von Silizium (Si/C), die Energiedichte zu erhöhen, da es die Strukturen vor dem Zerreißen durch Lithiumionen schützt. SK prahlt damit nicht, aber wir wissen aus anderen Quellen, dass chinesische Zellhersteller die Anoden bereits seit längerer Zeit mit Silizium aufladen, wobei dieses heute bereits mehrere Prozent des Elektrodenmaterials ausmacht.

Was die Entdeckung von SK On selbst angeht: Die Verwendung von Nanoröhren in Pulverform anstelle von Paste ermöglicht es, die Erhitzung der Elektrode zur Verdampfung des Lösungsmittels wegzulassen. Offenbar können die Nanoröhren einfach mit dem Kathodenmaterial vermischt und gepresst werden, wobei ihre Wirkung genauso gut ist wie bei Paste. Das ist wichtig, denn das Erhitzen ist ein energieintensiver Prozess, während dieser bei trockenen Kathoden völlig überflüssig wird.

Geordnete Nanoröhren unter dem Mikroskop (c) Meijo Nano Carbon, Quelle: BusinessWire

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