Günstigere Akkus für Elektrofahrzeuge rücken immer näher. Wird LG Energy Solution das LMR-Problem lösen?

Kurz gesagt:

Lithium-Mangan-Batterien (LMR) gelten als eine der vielversprechendsten Technologien

Das Problem ist ihre Haltbarkeit sowie die Entstehung von Gasen innerhalb der Zellen

Es ist nicht ausgeschlossen, dass diese Hindernisse bald beseitigt werden – das geht aus den neuesten Forschungen von LG Solution und Wissenschaftlern der Universität Seoul hervor

Die entwickelten Zellen behielten nach 883 vollständigen Lade- und Entladezyklen noch 92,2 % der ursprünglichen Energie

LG und günstigere Akkus am Horizont

Der Wettlauf um günstigere und leistungsstärkere Batterien für Elektroautos ist in vollem Gange. Einer der Bereiche, die seit einigen Jahren besondere Aufmerksamkeit in der Branche erhalten, sind Akkus mit Kathoden vom Typ lithium manganese-rich (LMR), also manganreiche Batterien.

Wissenschaftler von LG Energy Solution haben gemeinsam mit dem Team von Prof. Jongwoo Lim an der Nationaluniversität Seoul über Fortschritte bei der Lösung eines der gravierendsten Probleme dieser Technologie berichtet. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht und deuten darauf hin, dass eine geeignete Steuerung der Lade-, Entlade- sowie Zellformungsprozesse die Stabilität großer LMR-Zellen für Elektrofahrzeuge erheblich verbessern kann.

Die LMR-Technologie ist vor allem deshalb attraktiv, weil sie es ermöglicht, Mangan zu nutzen – ein weitaus günstigerer Rohstoff als Kobalt. Gleichzeitig behält sie ihr Potenzial für eine hohe Energiedichte, da elektrochemische Reaktionen nicht nur mit Nickel und Mangan, sondern auch mit dem in der Kathodenstruktur enthaltenen Sauerstoff ablaufen – berichtet der Electric CarS Report.

Sauerstoff war das größte Problem.

Genau die Aktivität des Sauerstoffs stellte bislang das Haupthindernis für die Kommerzialisierung von LMR-Batterien dar. Während des Ladens wird ein Teil des Sauerstoffs in der Kathodenstruktur oxidiert. Wenn er beim Entladen nicht vollständig in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt, kann es zu einer Degradation des Kathodenmaterials sowie zur Entstehung von Gasen innerhalb der Zelle kommen.

In Bezug auf die großen Zellen, die in Elektroautos verwendet werden, ist dieses Problem besonders relevant. Der begrenzte Freiraum innerhalb der Zelle führt dazu, dass sich ansammelnde Gase den Druck erhöhen können, die Leistung der Batterie verschlechtern, ihre Lebensdauer verkürzen und zudem die Sicherheit bei der Nutzung beeinträchtigen – so Herald Corp.

Forscher haben das Verhalten von Sauerstoff bei verschiedenen Lade- und Entladebedingungen analysiert. Es stellte sich heraus, dass nicht nur die maximale Ladespannung von Bedeutung ist, sondern auch die untere Grenze der Entladespannung.

Während der Tests erhöhte die Senkung der oberen Ladespannung von 4,6 V auf 4,3 V die Effektivität bei der Wiederherstellung des oxidierten Sauerstoffs von 86 auf 97 Prozent. Zudem ermöglichte die Senkung der Endentladespannung von typischen 3,0 V auf 2,0 V es, den Sauerstoff fast in seinen ursprünglichen chemischen Zustand zurückzuführen – so berichtet Finance Yahoo.

Fast 900 Zyklen und über 92 Prozent der Kapazität

Auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse hat LG Energy Solution den Arbeitsspannungsbereich sowie den Herstellungsprozess für große LMR-Zellen mit einer Kapazität von 40 Ah neu gestaltet. Das Unternehmen setzte außerdem einen niedrigeren Temperaturbereich beim Herstellungsprozess ein, was dazu führte, dass das Gasentstehungseffekt reduziert werden konnte.

Das Ergebnis erwies sich als vielversprechend. Die entwickelten Zellen behielten nach 883 vollständigen Lade- und Entladezyklen 92,2 Prozent der ursprünglichen Energie bei. Dies ist eines der wichtigsten Ergebnisse der Studie, da gerade Haltbarkeit und Gasentstehung bisher die Haupthindernisse für den Einsatz der LMR-Technologie in großen Antriebsbatterien darstellten.

Wie Prof. Jongwoo Lim betonte: „Die Studie ermöglichte es, die Ursachen für die Degradation von LMR-Batterien aus der Perspektive der Umkehrbarkeit der Sauerstoffreaktionen zu identifizieren und zeigte, dass die Stabilität der Zellen nur durch eine sorgfältige Gestaltung der elektrochemischen Protokolle verbessert werden kann“ – zitiert nach Korea Herald.

Auf der anderen Seite weisen Vertreter von LG Energy Solution darauf hin, dass die Ergebnisse eine effektive Reduzierung der Gasentstehung bei gleichzeitiger Beibehaltung einer stabilen Zykluslebensdauer zeigen, was die Kommerzialisierung dieser Technologie beschleunigen könnte.

Nächster Schritt hin zu günstigeren Elektrofahrzeugen

Falls die Laborendergebnisse in die Serienproduktion übertragen werden können, könnten LMR-Batterien eine bedeutende Alternative zu den derzeit verwendeten Zellen werden, die auf teuren Rohstoffen wie Kobalt basieren. Für Automobilhersteller würde das die Möglichkeit bedeuten, die Kosten der Akkus zu senken, ohne auf eine hohe Energiedichte verzichten zu müssen.

Sicherlich ist der Weg zur vollständigen Kommerzialisierung lang, doch aktuelle Forschungen zeigen, dass die Zukunft der Batterien nicht notwendigerweise ausschließlich auf neuen Materialien beruhen muss. Manchmal erweist sich ein besseres Verständnis und eine bessere Kontrolle der im Zellinneren ablaufenden Prozesse als genauso wichtig – analysiert The Korea Times.

Welche Batterietechnologien werden heute in großem Maßstab eingesetzt?

Aktuell dominieren in Elektrofahrzeugen fast ausschließlich Lithium-Ionen-Akkus, die jedoch in mehreren Hauptchemikalienvarianten vorliegen:

• NMC (Nickel-Mangan-Kobalt)

Die beliebteste Technologie in vielen europäischen, koreanischen und japanischen Fahrzeugen. Sie verbindet eine hohe Energiedichte mit einer guten Reichweite.

• NCA (Nickel-Kobalt-Aluminium)

Eine Technologie mit sehr hoher Energiedichte, die unter anderem von Tesla in einigen in den USA hergestellten Modellen sowie von einigen Premium-Herstellern eingesetzt wird.

• LFP (Lithium-Eisen-Phosphat)

Der derzeit am schnellsten wachsende Marktsegment. Die Batterien sind günstiger, enthalten weder Kobalt noch Nickel und zeichnen sich durch hohe Langlebigkeit und Sicherheit aus.

LMFP (Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat)

Eine weiterentwickelte Variante des LFP mit Manganzusatz, die dazu dient, die Energiedichte bei gleichzeitiger Senkung der Kosten zu erhöhen. Die ersten kommerziellen Anwendungen tauchen bereits auf, hauptsächlich in China.

• LTO (Lithium-Titanat)

Eine Nischentechnologie, die hauptsächlich in Bussen, Energiespeichern und speziellen Fahrzeugen verwendet wird. Sie bietet ein sehr schnelles Laden sowie außergewöhnliche Langlebigkeit, weist aber eine niedrige Energiedichte auf.

• LMR (Lithium mit hohem Mangangehalt)

Daran arbeitet gerade LG Energy Solution mit dieser letzten Technologie. Sie wird noch nicht in großem Maßstab hergestellt, gilt aber aufgrund der Möglichkeit, Kosten zu senken und die Abhängigkeit vom Kobalt zu verringern, als einer der Kandidaten für die nächste Generation an Antriebsbatterien.

Oskar Włostowski