LFP, NMC und NCA: Solche Abkürzungen zur Batteriechemie haben Sie sicher schon mal gehört oder gelesen. Aber was verbirgt sich dahinter und was sind die Vor- und Nachteile dieser Batterietypen? Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) hat nun in einer Studie die Unterschiede herausgearbeitet. Die interessantesten Fakten aus dem 100-seitigen Dokument geben wir im Folgenden wieder.

Die obengenannten Kürzel LFP, NMC und NCA beziehen sich alle auf die Zusammensetzung der Kathode. An der Anode wird derzeit hauptsächlich Graphit eingesetzt, wobei ein Silicium-Anteil die Energiedichte erhöht.

NMC: Weit verbreitet und mit immer mehr Nickel

NMC-Batterien sind derzeit in den meisten Elektroautos verbaut. Dabei wird Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (LiNi1−x−yMnx CoyO2) verwendet. Die Mengenverhältnisse werden durch Bezeichnungen wie NMC811 angegeben; in diesem Beispiel sind 80 Prozent Nickel und jeweils 10 Prozent Mangan und Cobalt enthalten. 

NMC gehört zu den Kathodenmaterialien mit Schichtstruktur. Solche Strukturen sind weniger stabil als dreidimensionale Kristallgitter, bieten aber den Vorteil, dass die Lithium-Ionen meist gut darin wandern können – wichtig für das Laden und Entladen der Batterie.

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NMC-Materialien mit viel Nickel bieten eine hohe Energiedichte. Grund: Nur die Nickel-Ionen reagieren elektrochemisch, geben Elektronen ab und nehmen welche auf. Aber auch die anderen Metalle sind wichtig: Das Cobalt erhöht die Leitfähigkeit für Elektronen und Ionen, das Mangan sorgt für die Stabilität. Um die Energiedichte zu erhöhen und das teure Cobalt soweit wie möglich zu vermeiden, geht der Trend zu nickelreichen Materialien wie NMC811 und weiter bis zu 90 Prozent Nickel in NMC955 (LiNi0,9Mn0,05Co0,05O2).

NMC ist deshalb so weit verbreitet, weil es gute Werte bei allen wichtigen Parametern bietet: Energiedichte, Ladeleistung, Kalender- und Zykluslebensdauer sowie Kosten. Zu den Problemen gehört, dass die instabile Schichtstruktur die thermische Beständigkeit und die Lebensdauer verringert, und zwar vor allem bei hohem Nickel-Gehalt. Das macht eine strenge Kontrolle der Temperatur durch das Batteriemanagement-System (BMS) nötig.

Um diese Probleme zu verringern, wird NMC zum Teil dotiert, das heißt, weitere Metalle werden eingebaut. Handelt es sich um Aluminium, dann ergibt sich NMCA.

NCA und NMCA: Oxide mit Aluminium

Im Audi Q8 e-tron kommt eine NCA-Batterie zum Einsatz und Tesla verwendet diese Chemie in den Allradversionen des US-amerikanischen Model 3. NCA steht für Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxide der Formel LiNi1−x−yCoxAlyO2. Wie NMC gehört NCA zu den Materialien mit Schichtstruktur. Auch hier sind die Nickel-Ionen die aktive Spezies; Cobalt erhöht die elektrische und ionische Leitfähigkeit und Aluminium erhöht die Stabilität.

Ähnlich wie NMC weist NCA eine gute Leistung bei den meisten Parametern auf – bei moderaten Kosten. Die Probleme hinsichtlich thermischer Stabilität und Zyklenfestigkeit sind ähnlich; auch hier erhöht Nickel die Energiedichte, senkt aber die Stabilität. 

Durch die Zugabe von kleinen Mengen Mangan erhält man Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Aluminiumoxide (NMCA), was die Zyklusstabilität erhöht. Das heißt, man kann die Zelle öfter laden und entladen, ohne dass die Speicherkapazität zu sehr leidet. Mangan verbessert zudem die mechanische Festigkeit des Materials.

LFP: Günstig und langlebig, aber geringe Energiedichte

Lithiumeisenphosphat (LFP) wird bei immer mehr Elektroautos eingesetzt, zum Beispiel beim Basismodell des Tesla Model 3, bei BYD-Modellen wie dem Dolphin oder dem Seal, beim neuen Citroen e-C3, beim Fisker Ocean oder auch beim Smart #1. LFP gehört zu den günstigsten Kathodenmaterialien. Das kommt daher, dass anders als bei NMC oder NCA keine teuren Metalle wie Nickel oder Cobalt enthalten sind. Zudem ist es sehr temperaturstabil, was durch das dreidimensionale Kristallgitter von LFP (mit Olivinstruktur) bedingt ist. Brände aufgrund von Überhitzung sind hier also kaum eine Gefahr.

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Auch wegen der LFP-Batterie günstig: Der Citroen e-C3

Ein Nachteil des stabilen Olivin-Kristallgitters ist, dass sich die Lithium-Ionen darin nur langsam bewegen können. Außerdem ist auch die Elektronenbeweglichkeit eingeschränkt – die elektrische Leitfähigkeit ist gering. Dadurch ist eine LFP-Batterie beim Laden und Entladen typischerweise langsamer. Um gegenzusteuern, reduzieren die Fachleute oft die Partikelgröße oder verwenden besser leitfähige Kohlenstoffbeschichtungen. Ein weiteres Problem ist, dass sich die Spannung von LFP-Zellen beim Entladen nicht stark ändert, was es schwierig macht, den Ladestand (SOC) zu ermitteln.

  LFP LMFP LMO LMNO LMRs
Speicherkapazität 150-160 mAh/g 135-160 mAh/g 90-120 mAh/g 115-125 mAh/g >200 mAh/g
Spannung 3,2-3,5 Volt 3,5-4,1 Volt 4,0 Volt 4,7 Volt <4,4 Volt
Kosten 8-15 Euro/kg ca. 10-16 Euro/kg 8-15 Euro/kg ca. 12-20 Euro/kg ca. 20-30 Euro/kg
Eigenschaften Günstig, zyklusstabil, aber geringe Energiedichte Mehr Energiedichte als LFP, kurzfristige Markteinführung geplant  Wenig verwendet Noch nicht auf dem Markt, Pilotproduktion geplant. Geringe Marktreife

Die Speicherkapazität von LFP ist mit rund 150–160 Milliamperestunden (mAh) pro Gramm geringer als bei als NMC und NCA. Die geringe Energiedichte von LFP-Zellen lässt sich zumindest teilweise kompensieren, indem man sie direkt zu einem Batteriepaket zusammenstellt (Cell-to-Pack-Ansatz, CTP). Das ist wegen der hohen Sicherheit von LFP-Zellen leichter als bei NMC-Zellen. Damit könnte sich die Energiedichte auf Batterieebene der von NMC-Akkus annähern, so die Studie. 

Insgesamt erwartet das ISI für die Zukunft eine hohe Bedeutung von LFP. Deshalb wird die Forschung im Bereich von nanokristallinem LFP und CTP-Konzepten weiter verstärkt. Mit Erfolg. So lässt sich zum Beispiel die Shenxing-Batterie von CATL mit bis zu 4C laden

Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LMFP): Mehr Energiedichte

Weniger bekannt als LFP ist Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LMFP). Man erhält es, wenn man einen Teil der Eisenatome in LFP durch Mangan ersetzt, was die chemische Formel LiMnxFe1-xPO4 ergibt. Eine solche LMFP-Batterie entwickelt zum Beispiel Nio. Auch hier werden keine teuren Metalle wie Nickel oder Cobalt benötigt. 

Zu den Vorteilen gegenüber LFP gehört die höhere Betriebsspannung. Eine LMFP-Zelle gibt typischerweise 3,5 bis 4,1 Volt ab, eine LFP-Zelle nur 3,2 bis 3,5 V. Das ist wichtig für den Energieinhalt einer Zelle. Denn der bemisst sich in Wattstunden (Wh), und ein Watt ist gleich ein Ampere mal ein Volt. Langer Rede kurzer Sinn: Eine LMFP-Zelle hat eine höhere Energiedichte als LFP.

Gravimetrische und volumetrische Energiedichte  

Eine LFP-Zelle mit 150 Milliamperestunden pro Gramm und einer Spannung von 3,5 Volt hat eine "gravimetrische" (das heißt gewichtsbezogene) Energiedichte von 150x3,5=525 Wh/g. Die Batterie als Ganzes hat eine viel geringere Energiedichte, weil viel inaktives Material wie Modulgehäuse etc. hinzu kommen. Ein weiterer Parameter ist die volumetrische Energiedichte, also die gespeicherte Energie pro Liter Volumen.

Je höher der Mangan-Gehalt, desto mehr steigt die Spannung und damit auch die Energiedichte. Viel Mangan führt jedoch auch dazu, dass sich die Lithium-Ionen langsamer durch den Kristall bewegen. Daher enthalten die meisten LMFP-Zellen "nur" etwa 60 Prozent Mangan (x=0,6 in der Formel LiMnxFe1-xPO4). Ein weiteres Problem stellt die im Vergleich zu LFP geringere Zykluslebensdauer dar.

Gotion hat für 2024 eine LMFP-Zelle namens Astroinno L600 mit 240 Wh/kg und 525 Wh/l sowie einer Lebensdauer von 4.000 Zyklen bei Raumtemperatur angekündigt. Ebenfalls für 2024 angekündigt sind LMFP-Zellen von Svolt mit 220 Wh/kg und 503 Wh/l.

Nissan Leaf (2022)

Im Nissan Leaf wird LMO als Kathodenmaterial eingesetzt

Lithium-Manganoxid: Eigentlich nur im Nissan Leaf

Ein weiteres weniger bekanntes Kathodenmaterial ist Lithiummanganoxid (LiMn2O4). Das mit LMO abgekürzte Zeug wird allerdings außer im Elektroauto-Pionier Nissan Leaf nur noch selten in Elektroautos verwendet.

LMO bildet wie LMFP ein dreidimensionales Kristallgitter. Die Spinellstruktur von LMO lässt aber die Wanderung von Lithiumionen in allen drei Dimensionen zu. Daher kann man LMO-Zellen relativ schnell be- und entladen. Darüber hinaus bietet LMO eine höhere Sicherheit als Kathodenmaterialien mit Schichtengitter, da bei hohen Temperaturen weniger Energie freigesetzt wird und damit das thermische Durchgehen unwahrscheinlicher wird.

Teure Metalle sind hier ebenfalls nicht erforderlich. Allerdings ist die Energiedichte geringer als bei NMC und NCA und sogar als bei LFP. Um die Energiedichte zu erhöhen, kann ein Teil des Mangan durch Nickel ersetzt werden.

Lithium-Mangan-Nickeloxid (LMNO)

Ersetzt man bei LMO einen Teil der Mangan-Atome durch Nickel, erhält man Lithium-Mangan-Nickeloxid (LMNO). Das Verhältnis zwischen Mangan und Nickel kann variieren, aber das Material mit einem Nickel-Anteil von einem Viertel ist von besonderem Interesse: LiMn1,5Ni0,5O4. Vorteile von LMNO sind die hohe Spannung von rund 4,7 Volt und der (im Vergleich zu NMC und NCA) geringe Bedarf an Nickel.

Energiedichte und Zyklusstabilität sind besser als bei LMO. Zu den Problemen des Materials gehören eine Auflösung der Kristallstruktur (wenn zwei Mn3+-Ionen zu Mn4+ und Mn2+reagieren) und Reaktionen zwischen LMNO und dem Elektrolyten an der Kathoden-Oberfläche. Deshalb werden spezielle Elektrolyte mit hoher chemischer Stabilität benötigt.

Derzeit sind LMNO-Zellen noch nicht auf dem Markt. Morrow Batteries plant jedoch eine Pilotproduktion ab dem ersten Quartal 2024. Fachleute gehen davon aus, dass LMNO bis 2030 einen Marktanteil von sechs Prozent erreichen können.

Lithium- und manganreiche Schichtoxide (LMRs)

Lithium- und manganreiche Oxide (LMRs) kann man sich als eine Mischung von Li2MnO3 und LiMO2 vorstellen, wobei M für Metalle wie Mangan, Nickel, Cobalt, Eisen usw. stehen kann. Beispiele sind Materialien mit den Formeln wie Li1,1(Ni0,21Mn0,65Al0,04)O2. oder Li1,2(Ni0,13Mn0,54Co0,13)O2

Zu den Vorteilen gehören die hohe Spannung und hohe Speicherkapazität, was zu Batterien mit hoher Energiedichte führt und damit zu Elektroautos mit großer Reichweite. Zu den Problemen gehört die Struktur-Instabilität, die sich durch das Aufnehmen und Abgeben von Lithiumionen verstärkt. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit gering. Reif für die Serienherstellung ist LMR derzeit noch nicht; LMR-Batterien sind noch nicht auf dem Markt. Umicore will jedoch bis 2026 ein LMR-Material für Elektroautos fertig haben.


Unter dem Strich

Für die Kathode von Elektroauto-Batterien können zahlreiche Materialien verwendet werden. Diese unterscheiden sich vor allem in Energiedichte, Kosten und Lebensdauer. Am häufigsten werden derzeit NMC-Zellen (mit Nickel, Mangan und Cobalt) genutzt, daneben vereinzelt auch NCA-Zellen (Nickel, Cobalt, Aluminium). Im Aufwärtstrend liegt das günstige Lithium-Eisenphosphat (LFP). Daneben gibt es noch etliche Exoten-Materialien, die durchaus nicht chancenlos sind. 

Unser Titelbild zeigt eine Pouch-Zelle von SK Innovation.