Durchbruch bei Akkutechnologie: Die Lithium-Metall-Akkus kommen
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Fast alles, was einen Akku hat, setzt auf die Lithium-Ionen-Technologie. Diese befindet sich beinahe am Ende ihres Entwicklungsstandes. Für den hohen Energiebedarf immer größer werdender Smartphones, leistungsstärkerer Computer und Elektroautos mit mehr Reichweite, wird deshalb an Alternativen geforscht.
Ein aussichtsreicher Kandidat ist der Lithium-Metall-Akku. Der hat bisher aber eine große Schwäche. Die Lebensdauer beträgt etwa die Hälfte von dem eines Lithium-Ionen-Akkus. Das kalifornische Start-up Cuberg, das 2021 vom schwedischen Konzern Northvolt übernommen wurde, will das Problem gelöst haben.
Langlebiger als ein Lithium-Ionen-Akku
Die Lithium-Metall-Zellen von Cuberg wurden an ein unabhängiges Testlabor übergeben. Dort wurde mittels eines standardisierten Tests überprüft, wie oft die Zellen entladen und geladen werden können, bis die Kapazität auf 80 Prozent der ursprünglichen Maximalkapazität sinkt. Dass Akkus durch Laden und Entladen Kapazität einbüßen, ist ganz normal – deshalb hält der Akku von Smartphones auch noch ein bis 2 Jahren nicht mehr so lange, wie zu Beginn.
Im Labor wurde festgestellt, dass die Lithium-Metall-Zellen 672 Ladezyklen durchhalten, bevor sie die 80-Prozent-Marke erreichen. Das ist eine deutliche Steigerung von den 370 Zyklen, die das Vorgängermodell von Cuberg erreichte.
Damit sind zukünftige Lithium-Metall-Akkus nicht nur genauso langlebig wir Lithium-Ionen-Akkus, sondern sie halten sogar länger. Bei vielen der heute gängigen Lithium-Ionen-Akkus wird ein Ziel von 500 Ladezyklen angestrebt.
Cuberg geht davon aus, dass seine serienreifen Lithium-Metall-Akkus eine noch höhere Lebensdauer haben werden. Die meisten aktuellen Akkus nutzen optimierte Laderoutinen. Diese senken die Belastung auf die Komponenten im Akku und erhöhen so die Lebensdauer. Beim aktuellen Labortest wurden keine optimierten Laderoutinen eingesetzt. Werden die zukünftig genutzt, könntne die Lithium-Metall-Akkus so noch länger eine hohe Kapazität behalten.
So funktioniert der Lithium-Metall-Akku
Cuberg verwendet bei seinen Zellen ein Elektroden-Material, das eine Schicht Lithium um die Anode und Kathode formt. Dadurch spart man sich die Schicht des Materials, das in einem Lithium-Ionen-Akku die namensgebenden Lithium-Inion speichert. Weniger Schichten heißt mehr Platz, um Energie zu speichern.
Der Nachteil bei Lithium-Metall ist, dass sich die Lithium-Speicher an den Elektroden ungleichmäßig formieren können. Nach vielen Ladezyklen können sich Dendriten bilden, die einen Kurzschluss auslösen können. Außerdem ist das Lithium-Metall sehr reaktiv. Es kann mit den Chemikalien im Elektrolyt reagieren, das zwischen der Anode und Kathode liegt. Das erschwert die Formierung der gewünschten Lithium-Schicht.
Cuberg löst das Problem mit einem selbst-entwickelten Elektrolyt. Diese ist ein ionisches, flüssiges Salz, mit zugesetzten Chemikalien, die die Stabilität erhöhen. Das Lithium-Metall kann zwar immer noch damit reagieren, es entsteht aber eine gleichmäßige Oberfläche, die die Elektroden schützt.
Im Gegensatz zu Feststoffakkus sei Cubergs Lösung fast vollständig mit bestehenden Materialien und Herstellungsmethoden für Akkus kompatibel. Die Ausnahme bildet hier nur das Elektrolyt.
40 Prozent mehr Kapazität
Der eigentliche Vorteil von Lithium-Metall-Akkus ist aber die höhere Energiedichte. Bei gleicher Baugröße kann ein Lithium-Metall-Akku also eine höhere Kapazität haben als ein Lithium-Ionen-Akku.
Laut Cuberg erreiche man eine Energiedichte von 380 Wattstunden pro Kilogramm. Lithium-Ionen-Akkus schaffen meist um die 270 Wh/kg. Das entspricht eine Steigerung der Kapazität um 40 Prozent.
Serienreif in 3 Jahren
Cuberg geht davon aus, dass man serienreife Lithium-Metall-Akkus im Jahr 2025 ausliefern wird, berichtet arstechnica.com. Die Akkus wird man aber nicht in Smartphones, Notebooks oder E-Autos sehen: Das erste Ziel sind eVTOL (electric Vertical Takeoff and Landing), also Lufttaxis und „fliegende Autos“.
Der Grund dafür ist laut Cuberg der Preis. Die ersten Chargen werden in der Produktion noch deutlich teurer sein als derzeit gängige Akkus. Dies widerspricht etwa dem aktuellen Trend in der Autoindustrie. Gegenüber den Kund*innen wird zwar gerne eine hohe Reichweite beworben. Die Hersteller von Elektroautos sind aber sehr stark dahinter, die Kosten pro Kilowattstunde zu senken. Erst wenn das bis zu einem bestimmten Level erreicht wird, sollen Elektroautos so günstig sein, wie vergleichbare Modelle mit Verbrennermotor.
Bei der Luftfahrt spielt der Preis weniger eine Rolle. Bei eVTOL geht es derzeit primär darum, Gewicht zu sparen. Grund dafür sind die Luftfahrt-Regularien. Da eVTOL im Stadtgebiet fliegen sollen, müssen sie besonders viele Sicherheitsmechanismen haben, etwa auch um Akkubrände zu vermeiden. Diese Schutzmaßnahmen bedeuten zusätzliches Gewicht und mehr Gewicht heißt weniger Reichweite und weniger Kapazität für Passagiere. Bei gleicher Kapazität ist der Lithium-Metall-Akku deutlich kleiner und leichter als ein Lithium-Ionen-Akku.
Laut Cuberg würden Entwickler von eVTOL und Elektroflugzeugen auf Lithium-Metall-Akkus setzen müssen. Durch die vorgeschriebenen Sicherheitsmaßnahmen würde ein Lithium-Ionen-Akkupack nämlich so schwer werden, dass die Lufttaxis, die sich zur Zeit in Entwicklung befinden, die angestrebten Reichweiten nicht erzielen können. Boeing, das auch an eVTOL arbeitet, hat sich bereits 2018 an Cuberg beteiligt.
Smartphones mit Lithium-Metall-Akkus in 10 Jahren
Im nächsten Schritt seien E-Lkw für Langstreckenfahrten potenziell interessant, um die Lithium-Metall-Technologie zu implementieren. Cuberg geht davon aus, dass seine Akkus in etwa 10 bis 15 Jahren soweit optimiert sind, dass sie dasselbe kosten wie Lithium-Ionen-Akkus. Spätestens dann kann man damit rechnen, dass Lithium-Metall-Akkus auch in Smartphones und Notebooks zu finden sein werden.
Es könnte allerdings auch früher passieren. Andere Unternehmen forschen ebenfalls intensiv an Lithium-Metall-Akkus und an Wegen, deren Lebensdauer zu erhöhen. Zudem wird an anderen Kombinationen geforscht, wie Lithium-Luft, Lithium-Schwefel oder Magnesium-Ionen.
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