Das Innenleben der meisten handelsüblichen Batterien ist normalerweise ziemlich unkompliziert.

 

Die Blei-Säure-Batterie, die traditionelle Batterie, die im Automobilbereich verwendet wird, ist so einfach wie es nur geht. Zwei Bleiplatten in Schwefelsäure einlegen und los geht’s zum Rennen.

 

Allerdings sind Lithium-Ionen-Batterien fast unendlich komplexer als ihre Vorgänger. Das liegt daran, dass sich „Lithium-Ionen“ auf einen Mechanismus – die Übertragung von Lithium-Ionen – bezieht, der in einer Vielzahl von Kathoden-, Anoden- und Elektrolytumgebungen auftreten kann. Infolgedessen gibt es nicht nur einen Typ von Lithium-Ionen-Batterien, sondern der Name fungiert als Regenschirm, der Tausende verschiedener Formulierungen darstellt, die funktionieren könnten.

 

Die Bedeutung der Kathode

 

Die heutige Infografik stammt von Nano One , einem kanadischen Technologieunternehmen, das sich auf Batteriematerialien spezialisiert hat, und bietet einen interessanten Kontext zu den Fortschritten bei Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahrzehnten.

 

Seit der Kommerzialisierung der Lithium-Ionen-Batterie in den 1990er Jahren gab es relativ wenige Entwicklungen bei den Materialien oder Technologien, die für Anoden und Elektrolyte verwendet werden. Zum Beispiel ist Graphit immer noch das Material der Wahl für Anoden, obwohl die Forscher versuchen, herauszufinden, wie man auf Silizium umsteigen kann. Der Elektrolyt ist dagegen typischerweise ein Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel (außer bei Lithium-Ionen-Polymer-Batterien).

 

Kathoden hingegen sind eine ganz andere Geschichte. Denn sie bestehen in der Regel aus Metalloxiden oder Phosphaten – und es gibt viele Kombinationsmöglichkeiten, die eingesetzt werden können.

 

 

Hier sind fünf Beispiele für kommerzialisierte Kathodenformulierungen und die dafür benötigten Metalle (abgesehen von Lithium):

 

 

Kathodentyp Chemie Beispiel Metallteile Beispiel Verwendung
NCA LiNiCoAlO2 80 % Nickel, 15 % Kobalt, 5 % Aluminium Tesla-Modell S
LCO LiCoO2 100 % Kobalt Apple iPhone
LMO LiMn2O4 100 % Mangan Nissan Leaf
NMC LiNiMnCoO2 Nickel 33,3 %, Mangan 33,3 %, Kobalt 33,3 % Tesla-Powerwall
LFP LiFePO4 100 % Eisen Starterbatterien

Lithium, Kobalt, Mangan, Nickel, Aluminium und Eisen sind nur einige der Metalle, die in aktuellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden – und jeder Batterietyp hat erheblich unterschiedliche Eigenschaften. Der gewählte Kathodentyp kann die Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit, Lebensdauer und Kosten der gesamten Batterie beeinflussen, und deshalb experimentieren Forscher ständig mit neuen Ideen und Kombinationen.

 

Bohren nach unten

 

Für Unternehmen wie Tesla, die die Austrittsrate von Lithium-Ionen-Zellen schneller als „Geschosse aus einem Maschinengewehr“ wollen, ist die Kathode von größter Bedeutung. Historisch gesehen wurden hier die meisten Fortschritte in der Lithium-Ionen-Batterietechnologie gemacht.

 

Die Wahl der Kathode ist ein wichtiger Faktor für die Bestimmung der Batterieenergiedichte, und Kathoden machen in der Regel auch 25 % der Kosten für Lithium-Ionen-Batterien aus. Das bedeutet, dass die Kathode sowohl die Leistung als auch die Kosten der $/kWh-Gleichung beeinflussen kann – und der Bau einer besseren Kathode wird wahrscheinlich ein Schlüsselfaktor für den Erfolg der grünen Revolution sein.

 

Glücklicherweise hat die Zukunft der Kathodenentwicklung viele aufregende Aussichten. Dazu gehören Konzepte wie der Aufbau von Kathoden mit Schicht-Schicht-Verbundstrukturen oder Orthosilikaten sowie Verbesserungen grundlegender Materialprozesse bei der Kathodenmontage.

 

Mit der Anwendung dieser neuen Technologien werden die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien weiter sinken. Tatsächlich sagen Experten jetzt, dass es nicht lange dauern wird, bis Batterien 80 $/kWh erreichen werden – ein Preis, der EVs unbestreitbar billiger als herkömmliche gasbetriebene Fahrzeuge machen würde.

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