Alternativen zu Lithium-Ionen-Akkus: Leistung & Sicherheit
Lithium-Ionen-Akkus sind aus der modernen Welt kaum noch wegzudenken. Sie treiben neben Smartphones, Tablets und Laptops auch E-Bikes, Werkzeuge, Rasenmäher oder E-Autos an. Klassische Lithium-Ionen-Akkus und LiPos werden zwar ständig weiterentwickelt, für größere Entwicklungssprünge bei Leistung, Kapazität, Sicherheit oder Kosten sind aber neue Technologien nötig. Wir stellen hier die wichtigsten vor, die bereits in E-Autos eingesetzt werden oder in naher Zukunft auf den Markt kommen:
Natrium-Ionen-Akkus
Bereits seit 2023 fahren einige günstige chinesische Fahrzeuge mit Natrium-Ionen-Akkus auf den Straßen. In diesen Fahrzeugbatterien wird nicht nur Lithium durch das deutlich billigere Natrium ersetzt, auch der Bedarf an anderen teuren Rohstoffen wie Kobalt, Kupfer und Nickel entfällt oder wird deutlich reduziert. Da Natrium-Ionen-Akkus ansonsten ähnlich hergestellt werden wie Lithium-Ionen-Akkus, sind sie deutlich billiger.
Außerdem halten Natrium-Ionen-Akkus länger, vertragen höhere Ladeströme und sind weniger kälteempfindlich. Angeblich brennen sie auch nicht. Da die Technologie noch relativ neu ist, muss sich erst noch zeigen, ob diese Eigenschaften auch in der Realität (dauerhaft) erreicht werden können. Diesen Vorteilen steht außerdem eine geringere Energiedichte als bei Lithium-Ionen-Akkus gegenüber.
Neben Natrium-Ionen-Akkus mit organischen Elektrolyten gibt es auch solche mit wässrigen Elektrolyten. Diese haben aber eine noch niedrigere Energiedichte und eignen sich daher nicht für E-Autos.
Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP-Akkus)
Bei LFP-Akkus wird das bei anderen Lithium-Ionen-Akkus häufig eingesetzte Lithium-Cobalt(III)-oxid durch Lithium-Eisenphosphat ersetzt. Dadurch spart man nicht nur komplett den Einsatz von Cobalt ein, sondern benötigt für die Herstellung auch weniger Lithium. Außerdem entfällt so auch der Sauerstoff-Lieferant, der das „thermische Durchgehen“ bei Lithium-Ionen-Akkus so gefährlich macht. Bei einer Überhitzung können dennoch brennbare Gase entstehen. Daher ist der Brandschutz bei Lithium-Eisenphosphat-Akkus nicht ganz so kritisch wie bei klassischen LiPos, aber dennoch wichtig.
Lithium-Eisenphosphat-Akkus sind auch weniger empfindlich gegen Tiefentladung und Temperatur-Belastungen. Außerdem tolerieren sie hohe Ladeströme und hohe Leistungsabgabe. Insgesamt zeichnen sie sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit und damit lange Lebensdauer aus.
Im Vergleich mit klassischen Lithium-Ionen-Akkus haben Lithium-Eisenphosphat-Akkus außerdem einen hohen Wirkungsgrad (Verhältnis zwischen aufgenommener und abgegebener Energie) und eine geringe Selbstentladung. Das macht sie sehr sparsam.
Nachteilig ist die etwas geringere Kapazität und damit – bei gleich großem Akku – die geringere Reichweite. Die weitgehend flachen Spannungskurven sind zwar einerseits gewünscht, sorgen andererseits aber auch dafür, dass es schwieriger ist, den Ladezustand zu bestimmen.
Feststoffakkus (Festkörperakkumulatoren)
Bei klassischen Lithium-Ionen-Akkus werden Kathode und Anode durch ein flüssiges oder gelförmiges Elektrolyt voneinander getrennt. Das hat den Vorteil, dass sich Lithium-Ionen relativ leicht durch den Elektrolyt hindurchbewegen können. Allerdings können in LiPos Metall-Nadeln entstehen, die von einer Elektrode zur anderen wachsen und so einen Kurzschluss verursachen. Bei Feststoffakkus wird dagegen ein fester Elektrolyt aus Glas oder Keramik eingesetzt. Obwohl Feststoffakkus auf metallisches Lithium setzen, sind sie daher weniger brandgefährlich als klassische Lithium-Ionen-Akkus.
Flüssige Elektrolyte werden mit abnehmender Temperatur außerdem fester und dadurch weniger durchlässig, wodurch Leistung und Kapazität bei niedrigen Temperaturen stark abnehmen. Die ohnehin festen Elektrolyte von Feststoffakkus haben dieses Problem nicht.
Die Zellen von Feststoffakkus zeichnen sich außerdem durch höhere Leistung und deutlich höhere Kapazität aus. Der Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass die Akkus nicht geheizt oder gekühlt werden müssen und die Zellen auch weniger Schutz vor Beschädigungen benötigen. Beides benötigt bei klassischen Lithium-Ionen-Akkus Platz und Material.
Der größte Nachteil von Feststoffakkus ist, dass es aktuell (Stand: Oktober 2024) kein marktreifes Modell gibt. Samsung rechnet damit, die Produktion bis 2027 aufnehmen zu können.
Semi-Solid-State-Zelle
Inzwischen gibt es auch Semi-Solid-State-Zellen, die mit einer Kombination aus flüssigem und festem Elektrolyt arbeiten. Diese stellen einen Kompromiss aus Feststoffakkus und klassischen Lithium-Ionen-Akkus dar.
