Zellen mit Lithium-Metall-Anode und flüssigem Elektrolyt von US-Firma Cuberg

Der schwedische Batteriehersteller Northvolt, bekannt als Kooperationspartner von VW, übernimmt die US-Firma Cuberg und will deren Batteriezell-Technik ab 2025 auf den Markt bringen. Zunächst sollen Zellen für Elektroflugzeuge entstehen. Das gab Northvolt nun bekannt.

Cuberg ist auf Lithium-Ionen-Batteriezellen spezialisiert, die eine Lithium-Metall-Anode und einen neuen "bahnbrechenden flüssigen Elektrolyten" verwenden. Zur Art dieses Elektrolyten heißt es auf der Website von Cuberg lediglich, er kombiniere "die Prozessfreundlichkeit konventioneller Elektrolyten mit der Stabilität und Performance von festen Elektrolyten."

Exkurs zu Lithium-Metall-Batterien

Bei Lithium-Metall-Batterien besteht der negative Pol der Batteriezelle nicht wie üblich aus Graphit, sondern aus metallischem Lithium. Da das Alkalimetall deutlich leichter ist als Graphit, spart man Gewicht, und die Energiedichte in Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erhöht sich. Ein Problem dabei stellt gewöhnlich die Bildung von so genannten Dendriten dar: Die positiv geladenen Lithium-Ionen, die beim Laden des Akkus zur negativ geladenen Anode wandern, lagern sich dort in Form von Nadeln an.

Im Extremfall können diese kleinen Kristalläste bis zur Kathode wachsen und so einen Kurzschluss herbeiführen. Um das zu verhindern, wird entweder die Anode durch einen Kunststoff-Überzug geschützt (wie bei den neuen Batterien von GM) oder ein fester Elektrolyt eingesetzt (wie zum Beispiel bei den Festkörperakkus von Quantumscape). Eine dritte Möglichkeit sind spezielle flüssige Elektrolyten. Den letztgenannten Weg schlägt offenbar Cuberg ein.

Die neuen Zellen sollen eine hohe Energiedichte, einen besonders niedrigen Preis, eine höhere Leistung und mehr Sicherheit bieten. Die Energiedichte soll bei den Cuberg-Zellen um 70 Prozent höher sein als bei vergleichbaren Lithium-Ionen-Zellen für Elektroflugzeuge. Die für 2025 geplante Serienversion soll eine volumetrische Energiedichte von 1.000 Wattstunden pro Liter bieten.

Cuberg batteries

 

Auf der Cuberg-Website finden sich weitere Zahlen aus einem Test des US-Energieministeriums. Danach liegt die gravimetrische Energiedichte bei 369 Wattstunden pro Kilo und die spezifische Leistung bei 2.000 W/kg, was wirklich gute Werte sind. Allerdings beschränkt sich die Lebensdauer auf nur 370 Zyklen bei einer C-Rate von C/2, was (für Elektroautos) eine eher geringe Belastung darstellt.

Exkurs zur C-Rate

Die C-Rate gibt an, wie schnell ein Akku in Bezug auf seine Kapazität geladen (oder entladen) wird. Definiert ist der C-Faktor als Ladestrom in Ampere geteilt durch die Kapazität des Akkus in Amperestunden. Damit ergibt sich als Einheit 1/Sek oder h-1. Meist wird die C-Rate aber als C/2, 1C, 2C etc. angegeben.

Wenn angegeben wird, dass der Ladestrom bei 10C liegt, dann bedeutet das, dass ein 125-Amperestunden-Akku mit maximal 1.250 Ampere geladen werden kann. Dann würde ein Ladevorgang 10 Stunden dauern. Analog bedeutet 1C dass der Vorgang eine Stunde dauert, bei 2C dauert er zwei Stunden etc.

Bei Elektroautos wird die Batteriekapazität meist in kWh angegeben. Da Watt gleich Volt mal Ampere ist (W=VA), kann der C-Faktor auf dafür benutzt werden, die Spannung kürzt sich heraus. Bei 400 Volt Spannung bietet der 125-Ah-Akku 400V*125Ah=50 kWh. Eine C-Rate von 0,5 bedeutet, dass der Akku in 2 Stunden voll ist, man lädt also in diesem Beispiel mit 50 kW.

Wichtig für die Markteinführung: Es müssen keine neuen Produktionslinien für die Zellen errichtet werden. Denn die neuen Zellen können auf den bestehenden Fertigungslinien von Northvolt für konventionelle Lithium-Ionen-Zellen produziert werden.

Nach der Akquisition von Cuberg will Northvolt nun ein Technologiezentrum im Silicon Valley einrichten, um die Entwicklung der Lithium-Metall-Zellen zu beschleunigen und die Technologie für Automobilanwendungen zu optimieren. Denn bessere Batterien für Elektroflugzeuge sind nicht das einzige Ziel von Northvolt und Cuberg, sondern auch elektrische Schiffe/Boote und das Elektroauto.

Northvolt errichtet derzeit eine Batteriefabrik (Northvolt Ett oder Northvolt 1) im nordschwedischen Skellefteå. Die Produktion von Batteriezellen soll 2021 starten und bis 2024 auf jährlich 32 GWh gesteigert werden, später sogar auf bis zu 40 GWh. Daneben arbeiten die Schweden an Northvolt Zwei, einem Batteriewerk in Salzgitter, das als Joint Venture mit VW betrieben werden soll. Ab 2021 soll gebaut werden, die Zellproduktion soll 2024 starten. Hier plant Northvolt anfangs einen Ausstoß von 16 GWh pro Jahr.