Die kobaltfreien NMX-Batterien sind etwa fünf Prozent preisgünstiger als NCM811-Batterien und haben eine um 20 Prozent höhere Lebensdauer. (Bild: SVOLT)

Die kobaltfreien NMX-Batterien sind etwa fünf Prozent preisgünstiger als NCM811-Batterien und haben eine um 20 Prozent höhere Lebensdauer. (Bild: SVOLT)

Der Schlüssel zu einer zukunftsfähigen Elektromobilität ist eine wirtschaftliche, skalierbare und nachhaltige Fertigung von leistungsstarken Batterien mit einer hohen Energiedichte und langer Lebensdauer. Auf dem Weg zu einer solchen Batterieproduktion der Zukunft sind allerdings noch einige Herausforderungen zu meistern – sowohl in der Zelltechnologie wie auch innerhalb der Lieferkette. Denn die Zellchemie der meisten Batterien enthält seltene und schwierig zu beschaffende Rohstoffe.

So setzen Batteriehersteller für leistungsstarke Lithium-Ionen-Zellen in der Regel auf Kathoden aus einer Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Verbindung (NCM). Einerseits ermöglicht das Nickel eine hohe Energiedichte, andererseits macht es die chemische Struktur der Kathode instabil. Um den damit verbundenen nachteiligen Effekten für die Sicherheit der Batterie entgegenzuwirken, wird das Kathodenaktivmaterial neben Mangan auch mit Kobalt angereichert.

Diese Schwierigkeiten bringt Kobalt als kritischer Rohstoff mit sich

Das Schwermetall Kobalt ist jedoch aus mehreren Gründen kritisch: es ist nicht nur ein toxisches, sondern auch ein seltenes und damit kostspieliges Material. Neben Nickel ist Kobalt die teuerste Komponente einer Batteriezelle. Weltweit betragen die bekannten Kobalt-Reserven nur rund 25 Millionen Tonnen, mit dem größten Vorkommen in der Demokratischen Republik Kongo (60 Prozent des Gesamtvorkommens) und in Sambia. Das macht das knappe Kobalt neben Nickel zum teuersten Teil einer Batteriezelle.

Zudem ist die Förderung von Kobalt ethisch nicht unbedenklich, denn wie viele Erze wird es in den Tagebau-Minen in Afrika unter teils prekären Bedingungen abgebaut. Die unsicheren politischen Verhältnisse in den Abbaugebieten gefährden eine zuverlässige Versorgung und können massive Preisschwankungen auslösen. Vor diesem Hintergrund forschen Hersteller von Kathodenaktivmaterial auf der ganzen Welt intensiv nach Möglichkeiten, den Kobaltanteil innerhalb der Batteriezellen zu senken oder das Schwermetall gänzlich aus der Zellchemie zu eliminieren.

Die Eliminierung von Kobalt stellt auch einen Schwerpunkt in den Forschungsaktivitäten von SVOLT dar. Als systemischer Anbieter entwickelt und produziert SVOLT speziell für den Automotive-Sektor und seine Anforderungen optimierte Lithium-Ionen-Batterien. Dem Unternehmen ist es nun gelungen, eine Batterie mit kobaltfreier Hochnickelzellchemie (NMX) erfolgreich zur massentauglichen industriellen Serienreife zu bringen.

Die NMX-Batteriezellen mit 115 Ah haben eine Energiedichte von 245 Wh/kg und sind im MEB-Format (33,4 × 220 × 102,5 mm³) verfügbar. (Bild: SVOLT)
Die NMX-Batteriezellen mit 115 Ah haben eine Energiedichte von 245 Wh/kg und sind im MEB-Format (33,4 × 220 × 102,5 mm³) verfügbar. (Bild: SVOLT)

Wie eine stabile und langlebige Zellchemie ohne Kobalt funktioniert

Für seine kobaltfreien NMX-Batteriezellen hat der Hersteller ein neuartiges Kathodenmaterial entwickelt, dass zu 75 Prozent aus Nickel und 25 Prozent aus Mangan besteht. Stabilisiert wird die Kathode über eigens entwickelte Doping- und Coating-Prozesse. Für das Dotierungsverfahren bringt SVOLT Fremdatome in das Kathodenmaterial ein. Dadurch erreichen NMX-Zellen – auch ohne Kobalt – eine höhere thermische Stabilität sowie Gesamtsicherheit als NCM811-Zellen (Hochnickelzellen). Mithilfe der neuen Technologie ist es darüber hinaus gelungen, die Zyklenalterung ebenso wie die kalendarische Lebensdauer der NMX-Zellen im Vergleich zu herkömmlichen NCM811-Batteriezellen deutlich zu verbessern. Damit sind über 2500 Ladezyklen möglich.

Die lange Lebensdauer der NMX-Batteriezellen wird unter anderem durch eine hauchdünne Oberflächenbeschichtung (Nano-Coating) erzielt, die aus nur wenigen Hundert Atomen besteht. Sie schützt die Oberfläche der Kathode vor Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten und beugt der Batterie-Degradation vor. So nimmt die Kapazität der NMX-Batterien und damit ihre Reichweite über den Zeitverlauf weniger stark ab.

Um die Entstehung von Mikro-Rissen sowie -Brüchen im aktiven Kathodenmaterial und damit dem Verschleiß der Zelle weiter vorzubeugen, setzt der Hersteller beim Kathodenmaterial außerdem auf eine Einzelkristallstruktur (NMX H). Anders als bei polykristallinen Strukturen verfügen hier alle Partikel über die gleiche kristallografische Orientierung. Das heißt, alle Bausteine der Kathode bilden ein durchgehendes, homogenes Kristallgitter, das sich auch unter äußeren Einflüssen nicht verändert. Das Material dehnt sich weniger stark aus und zieht sich auch weniger stark zusammen als Polykristallstrukturen, deren Partikel unterschiedlich groß und verschieden ausgerichtet sind. Das beugt der Entstehung von Mikro-Rissen und -Brüchen in der Kathode und damit der Zellalterung vor.

Bestellbar ist ebenfalls eine kobaltfreie Zellvariante mit 226 Ah und einer Energiedichte von 240 Wh/kg, die voraussichtlich ab dem vierten Quartal 2021 verfügbar sein wird. (Bild: SVOLT)
Bestellbar ist ebenfalls eine kobaltfreie Zellvariante mit 226 Ah und einer Energiedichte von 240 Wh/kg, die voraussichtlich ab dem vierten Quartal 2021 verfügbar sein wird. (Bild: SVOLT)

Einsatzgebiet und Verfügbarkeit der kobaltfreien Batteriezellen

Dank des vollständigen Verzichts auf das Schwermetall Kobalt sowie eines gesenkten Nickel-Gehalts sind die NMX-Zellen nicht nur wesentlich nachhaltiger, sondern auch rund fünf Prozent preiswerter als klassische Hochnickelbatteriezellen (NCM811). Gleichzeitig erreichen die Produkte eine Energiedichte, die nur knapp fünf Prozent unter der von vergleichbaren NCM-Batteriezellen liegt. Dadurch eignen sie sich besonders gut für den Einsatz in Elektrofahrzeugen im breiten Mittelklasse- sowie Oberklassemarkt.

Die NMX-Batteriezelle wurde erstmals im September 2019 auf der Internationalen Automobil-Ausstellung (IAA) vorgestellt. Nach der Fertigstellung des kobaltfreien Kathodenmaterials im Juni 2019 ging SVOLT zu Leistungstests des ersten Prototyps über. Der Fokus lag dabei auf der Optimierung der Temperaturkurve ebenso wie auf einer strengen Qualitätsprüfung. Abgeschlossen wurde das Entwicklungsprojekt im April 2020.

Im Januar 2021 wurde die Pilotproduktion mit 10 t kobaltfreiem Kathodenmaterial in der Batteriezellfabrik in Changzhou, China, erfolgreich abgeschlossen. Jährlich werden in dieser Zellfabrik in ihrer derzeitigen Ausbaustufe nun 5000 Tonnen des zentralen Materials für die kobaltfreie Batterieproduktion hergestellt. Ende 2023 können die neuartigen Batterien auch im geplanten Werk im Saarland produziert werden.

Seit dem zweiten Quartal 2021 sind kobaltfreie NMX-Batteriezellen mit 115 Ah und einer Energiedichte von 245 Wh/kg in einem MEB-Format (33,4 × 220 × 102,5 mm³) verfügbar. Ihre Spannung liegt bei 3,74 V, die Kapazität bei 430 Wh. Damit erzielt die 115-Ah-Variante der NMX-Batterie eine effektiv nutzbare Kapazität von 396 Wh.

Ebenfalls bestellbar ist eine kobaltfreie Zellvariante mit 226 Ah und einer Energiedichte von 240 Wh/kg, die voraussichtlich ab dem vierten Quartal 2021 verfügbar sein wird. Bei der 226-Ah-Ausführung handelt es sich um das SVOLT-eigene Zellformat L6 (21,5 × 574 × 118 mm³). Die sogenannten L-Zellen sind lange Batteriezellen in dünner prismatischer Ausführung mit seitlich positionierten Elektroden und Entgasungsventilen. Ihre Spannung liegt bei 3,74 V, die Nennenergie bei 845 Wh.

Nachhaltige Zellfertigung per Wiederverwertung von Kobalt

Der Durchbruch, der mit der Entwicklung der NMX-Zelle gelang, ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigen Batterieproduktion. Zum heutigen Zeitpunkt ist Kobalt allerdings aus vielen Energiespeicherlösungen nach wie vor nicht wegzudenken. Deshalb sucht SVOLT aktiv nach Möglichkeiten zur Wiederverwertung von Kobalt. Neben den kontinuierlichen Weiterentwicklungen und Innovationen auf Hard- und Software-Ebene arbeitet der Automobilzulieferer fortlaufend daran, seine komplexen Produktionsprozesse zu optimieren. Mit hochautomatisierten Prozessen und modernstem Factory-Equipment zielt das Unternehmen darauf ab, seine hochwertigen, leistungsfähigen Produkte möglichst umweltfreundlich und nachhaltig herzustellen. (na)

Autor

Maxim Hantsch-Kramskoj ist Vice President Sales & Marketing bei SVOLT Europe. (Bild: SVOLT)
Maxim Hantsch-Kramskoj ist Vice President Sales & Marketing bei SVOLT Europe. (Bild: SVOLT)

Maxim Hantsch-Kramskoj ist Vice President Sales & Marketing bei SVOLT Europe

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