Vergleich von Kathodenchemien für Elektrofahrzeug-Batterien

Aufgrund der hohen Produktionskosten, die bis Anfang der 2000er Jahre im Bereich von mehreren Tausend US-Dollar pro kWh lagen, waren Lithium-Ionen-Batterien (LIB) für große Energiespeicher-Anwendungen nicht relevant. Fortschritte in der Produktionstechnologie und Zellchemie trugen dazu bei, die Kosten für die Hersteller zu senken. Mittlerweile wird die Technologie daher für die Elektromobilität verwendet oder um Überschüsse aus dem Stromnetz zu speichern.

LFP vs. NMC

Die wichtigsten Kathodenchemien, die in LIB eingesetzt werden, sind geschichtete Metalloxide Li[M]O2, wobei [M] eine Mischung aus Nickel, Mangan und Kobalt (NMC) oder Nickel, Kobalt und Aluminium (NCA) ist. Das Spinelloxid LiMn2O4 (LMO) war ebenfalls wichtig für viele in Elektrofahrzeugen verwendete Batterie­chemie-Varianten. Lithium-Eisenphosphat (LFP) hingegen wurde vor 2020 nur selten in Massenprodukten wie Fahrzeugen verwendet.Der Vergleich von LFP mit NMC 811 (LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2) zeigt, dass sich beide Arten von kathodenaktivem Material durch unterschiedliche Schlüsseleigenschaften auszeichnen. Durch die höhere Zellspannung, Pulverdichte und spezifische Kapazität ist NMC bei der volumetrischen Energiedichte klar im Vorteil. Dies ist wichtig, da bei Fahrzeugen hohe Reichweiten wie 1.000 km mit einer Tankfüllung erwartet werden. Die Vorteile von LFP liegen in der längeren Zyklusdauer, der besseren Ratenfähigkeit und der Sicherheit. Das Risiko eines thermischen Durchgehens nach einer mechanischen Beschädigung der Zelle ist viel geringer. Diese inhärente Zuverlässigkeit machte LFP besonders beliebt für den Einsatz in Nutzfahrzeugen mit häufigem Zugang zum Laden. Dazu zählen beispielsweise Busse, Gabelstapler und Roller aber auch stationäre Energiespeicher-Anwendungen, welche oft mit Solarparks oder Windkraftanlagen verbunden sind.

In den letzten zehn Jahren haben immer mehr Marktteilnehmer Zeitpläne für das Ende des Verbrennungsmotors und die Masseneinführung von Elektrofahrzeugen angekündigt. Parallel dazu kündigt die gesamte Lieferkette weltweite Investitionen in Produktionskapazitäten an, um die dadurch entstehende Nachfrage zu decken. So wird beispielsweise die Nachfrage nach Lithium bis zum Ende dieses Jahrzehnts voraussichtlich um den Faktor 6 bis 7 steigen. Dies wird sich auf alle derzeit auf dem Markt befindlichen Zellchemie-Varianten auswirken und zu einer Verknappung der Rohstoffe mit stark steigenden Preisen führen. Außerdem werden für die Herstellung von NMC-Kathoden die seltenen Metalle Kobalt und Nickel benötigt. Der Abbau beider Rohstoffe wird bis 2030 voraussichtlich um den Faktor 2 steigen. Es ist fraglich, ob diese Steigerungen ausreichen werden, um die exorbitante Nachfrage zu decken.

Trotz dessen wird die erste Phase der aktuellen Ära der Elektrofahrzeuge von LIB-Technologien bestimmt. Es gibt aktuell keine andere Energiespeicher-Technologie, die die technologische Reife zum sofortigen Einsatz in Massenbedarfs-Artikeln hat. Die somit zu erwartende Nachfrage kann bestmöglich mit einem Mix aus verschiedenen Zellchemie-Varianten bedient werden – was LFP ins Spiel gebracht hat.

Für Fahrzeuge der Oberklasse wird NMC aufgrund seiner Leistungsvorteile weiterhin die Kathode der Wahl sein, zudem bietet es einen Preisvorteil gegenüber dem oft genutzten Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO2), da Cobalt und Cobaltoxide relativ teuer sind. Kleinere Fahrzeuge benötigen jedoch nicht die hohe Kapazität von NMC-basierten Batterien und können eher von der Langlebigkeit und Sicherheit von LFP profitieren. Große Erstausrüster (OEM) wie Tesla haben angekündigt, auf LFP-Batterien umzusteigen. Das Unternehmen will LFP für seine Fahrzeuge mit Standardreichweite verwenden, ebenso die deutschen Automobilhersteller Volkswagen und Mercedes-Benz. Diese planen, LFP zukünftig für ihre großvolumigen Einstiegsmodelle zu verwenden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, LFP in der Elektromobilität einzusetzen. Wenn Kathodenmaterialien wie LFP und NMC auf Zellebene gemischt werden, kann das die Leistung, verglichen mit Zellen mit nur den einzelnen aktiven Kathodenmaterialien, verbessern. Eine Mischung mit weiteren Zell-Modulen mit nur einer Chemie ist für das Batteriemanagement nützlich. So verbessert sich die Leistung im Niedertemperatur-Bereich.

Die laufende Entwicklung neuer Batteriematerialien führt zu einer Verschiebung in der elektrochemischen Landschaft. Verbesserungen der LIB-Chemie zielen auf NMC-Materialien mit hohem Nickelgehalt und Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LMFP) ab. Wenn Eisen durch Mangan ergänzt wird, ermöglicht dies phosphatbasierte Kathoden mit höherer volumetrischer Energiedichte. Damit werden diese Materialien in den preissensiblen Marktsegmenten mit hohem Volumen weiter etabliert. Alternativen wie Festkörper-Batterien oder die Natrium-Ionen-Chemie werden in Zukunft eine weitere Option sein.

IBU-tec advanced materials, ein Unternehmen, welches im Bereich der thermischen Prozesstechnik tätig ist, befasst sich derzeit mit der Verbesserung der Partikelzusammensetzung von Kathodenmaterialien. Seit 2021 vertreibt das Unternehmen seine Phosphat-Kathodenmaterialien unter dem Produktfamiliennamen IBU-volt.
Eines davon ist das Power-Grade-Produkt IBU-volt LFP400, das speziell für Sonderanwendungen in Pkw, stationären Energiespeichern und maritimen Umgebungen entwickelt wurde. Im Vergleich zu anderen auf dem Markt erhältlichen LFP-Typen hat IBU-volt LFP400 einen deutlich höheren Kohlenstoffgehalt. Dies führt zu einer besseren Leitfähigkeit und damit zu einem geringen Gleichstrom-Widerstand. IBU-tec führte Tests zum Vergleich zwischen LFP400 und anderen LFP-Typen auf dem Markt durch. Dafür nutzte das Unternehmen Pouch-Zellen bei 25 °C mit Graphitanoden und führte die Zyklen bei 2 bis 4 V durch. Bei 5C Ladegeschwindigkeit, also einer Stromstärke des 5-fachen der Batteriekapazität in Ah – 5C bei 5 Ah bedeutet 25 A – kann ein Ladezustand (SOC) von mehr als 80 % erreicht werden. Damit ist das Material gut für Schnelllade-Anwendungen geeignet. Insbesondere bei Fahrzeugbatterien, die aus wirtschaftlichen Gründen auf LFP angewiesen sind, kann die Fähigkeit zur Schnellladung die geringere Reichweite im Vergleich zu Batterien mit höherer Energiedichte kompensieren. Als Bestandteil eines Batteriepakets können LFP-Kathoden andere Hochleistungs-Zellchemievarianten unterstützen, um die Vorteile der Materialien zu kombinieren.

Darüber hinaus führt die kohlenstoffreiche LFP-Chemie der IBU-volt LFP400 zu einer hohen Zyklen-Lebensdauer. Das Zyklieren gegen eine Lithium-Titanat-Anode (LTO) bei 2C ergibt eine Kapazitätserhaltung von mehr als 90 % nach 9.000 Zyklen. Eine Kathode mit diesem LFP-Material wird somit die langlebigste Komponente eines Fahrzeugs sein, mit Zweitnutzungsmöglichkeiten weit innerhalb des erwarteten Lebenszyklus. Dadurch wird der Materialstrom, der dem Recycling zugeführt wird, reduziert. Zudem wird der ohnehin schon geringe ökologische Fußabdruck von LFP weiter verringert. Die Langlebigkeit von LFP senkt auch die Gesamtbetriebskosten der Batterie im Vergleich zu NMC.
LFP-Batterien werden für Anwendungen der Elektromobilität immer wichtiger. Diese Zellchemie hat in einigen Anwendungsfällen gewisse Vorteile gegenüber den teureren und kritischen NMC-Materialien. Die Leitfähigkeit und Energiedichte von LFP-Zellen wird zudem laufend verbessert. IBU-tec ist führend in der Forschung und Produktion von LFP in Europa und hat sehr gute Ergebnisse mit einem LFP-Kathodenmaterial mit hohem Kohlenstoffgehalt erzielt und begonnen, auch LMFP-Material zu entwickeln. Kurz- bis mittelfristig wird LFP das Rückgrat der Veränderungen in der Elektromobilität sein und zu weiteren Verbesserungen in der Batterietechnologie führen.