Geheimnisse der ternären Lithiumbatterie entschlüsseln

Im sich entwickelnden Bereich der Energiespeicherung und Elektrofahrzeuge sticht die ternäre Lithiumbatterie als Schlüsselinnovation hervor. Als einzigartiger Typ einer Lithium-Ionen-Batterie nutzt sie die kombinierten Stärken dreier Metalle – Nickel, Kobalt und Mangan – in ihrer positiven Elektrode. Diese Kombination verbessert nicht nur die Leistung der Batterie, sondern schafft auch ein Gleichgewicht zwischen Sicherheit, Kapazität und Erschwinglichkeit. In einer Welt, die zunehmend auf nachhaltige und effiziente Energielösungen setzt, ist das Verständnis der Feinheiten und des Potenzials ternärer Lithiumbatterien wichtiger denn je.

Im Zuge der Umweltpolitik, der chinesischen Vorschriften und der Fahrverbote für Stadtautos ersetzen Fahrzeuge mit alternativen Antrieben alte Benziner. Immer mehr Elektroautos gehören zu unserem Leben. Bis Juni 2019 gab es in China rund 3,44 Millionen Fahrzeuge mit alternativen Antrieben. Das bedeutet, dass Elektroautos derzeit rasant wachsen. Große Automarken produzieren viele neue Elektroautomodelle. Sie produzieren mehr, um sich am Markt zu behaupten. Die Batterie ist ein zentraler Bestandteil von Elektroautos. Die meisten Menschen denken zuerst darüber nach, da sie das größte Problem des Autos löst: die Fahrleistung.

1. Die Leistung ternärer Lithiumbatterien verstehen

Beginnen wir mit Benzinautos und neuen Elektroautos, indem wir über Autobatterien sprechen. Benzinautos und neue Elektroautos verwenden unterschiedliche Batterien. Benzinautos haben Blei-Säure-Batterien oder wartungsfreie Batterien. Man nennt sie Autobatterien. Sie laden schnell und starten den Motor. Allerdings halten sie nur kurz, etwa 2-3 Jahre, und sind groß. Für Elektroautos mit großer Reichweite sind sie nicht geeignet. Die meisten Elektroautos verwenden heute eine ternäre Lithiumbatterie.

Ternäre Lithiumbatterien Verwenden Sie Nickel, Kobalt, Mangan oder Nickel-Kobalt-Aluminium. Die Mischung dieser Metalle kann variiert werden. Diese Batterien haben eine höhere Energie, über 200 Wh/kg. Sie haben auch eine höhere Spannung. Dadurch können Autos mit ihnen weiter und schneller fahren. Da Autos nur über begrenzten Platz verfügen, eignet sich dieser Batterietyp gut.

Tesla beispielsweise verwendet Panasonics ternäre Lithiumbatterie 18650. Nach der Herstellung des Model 3 kommt die neue Batterie 21700 zum Einsatz. Die Bezeichnung 18650 bedeutet, dass sie 18 mm breit und 65 mm lang ist. Die 21700-Batterie liefert etwa 300 Wh/kg Energie, also 201 TP3T mehr als die alte 18650-Batterie.

2. Was ist eine ternäre Lithiumbatterie?

Eine ternäre Lithiumbatterie ist eine Art Lithium-Ionen-Batterie. Sie ist einzigartig, da sie in ihrer positiven Elektrode eine Mischung aus drei Metallen – Nickel, Kobalt und Mangan – verwendet. Diese spezielle Mischung vereint die besten Eigenschaften dieser Metalle. Sie bietet die zuverlässige Zyklenleistung von Lithiumkobaltat, die beeindruckende Kapazität von Lithiumnickelat und kombiniert diese mit der Sicherheit und Erschwinglichkeit von Lithiummanganat.

3. Vorteile ternärer Lithiumbatterien verstehen

Hohe Energiedichte

Ternäre Lithiumbatterien zeichnen sich durch die höchste Energiedichte aller Batterien aus. Das bedeutet, dass sie mehr Leistung auf kleinerem Raum speichern können. Beispielsweise verwendet das Tesla Model Y eine ternäre Batterie und kann mit einer einzigen Ladung bis zu 440 Kilometer weit fahren.

Hohe Entladespannung

Die Entladespannung einer einzelnen ternären Lithiumbatterie beträgt etwa 3,7 V und ist damit höher als die 3,2 V von LiFePO4-Batterien und die 2,3 V von Lithiumtitanat-Batterien. Eine höhere Entladespannung bedeutet, dass diese Batterien mehr Energie speichern können, was zu einer längeren Batterielebensdauer bei gleicher Größe und gleichem Gewicht führt.

Längerer Lebenszyklus

Im Allgemeinen liegt die Zyklenlebensdauer einer ternären Lithiumbatterie zwischen 800 und 1.000 Anwendungen.

Umweltfreundlich und recycelbar

Ternäre Lithiumbatterien sind umweltfreundlicher als Blei-Säure-Batterien. Sie haben eine Recyclingeffizienz von über 95% und sind damit eine umweltfreundlichere Wahl mit geringeren Auswirkungen auf die Umwelt.

4. Ternäre Lithiumbatterien: Zu kennende Einschränkungen

Sicherheitsbedenken

Einer der Hauptnachteile ternärer Lithiumbatterien ist ihre Sicherheit. Die Struktur dieser Batterien ist im Vergleich zu anderen Typen weniger stabil, was zu Sicherheitsproblemen führen kann. Es besteht Brandgefahr, insbesondere wenn die Batterie Stößen ausgesetzt ist oder dauerhaft hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Herausforderungen hinsichtlich der Hitzebeständigkeit

Ternäre Lithiumbatterien haben außerdem Probleme mit der Hitzebeständigkeit. Sie sind anfälliger für Schäden und potenzielle Gefahren, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

Kürzere Lebensdauer

Im Vergleich zu Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben ternäre Lithiumbatterien eine kürzere Lebensdauer. Während eine LiFePO4-Batterie 2.000 bis 6.000 Zyklen durchhält, erreichen ternäre Lithiumbatterien typischerweise nur etwa 800 bis 1.000 Zyklen.

Einschränkungen bei der Hochleistungsentladung

Eine weitere Einschränkung ternärer Lithiumbatterien ist ihre Leistung bei Entladungen mit hoher Leistung. Sie sind weniger in der Lage, hohe Leistungsanforderungen effizient zu bewältigen.

Toxizität und Hochtemperaturrisiken

Die in ternären Lithiumbatterien verwendeten Elemente können giftig sein, und diese Batterien neigen bei Lade- und Entladezyklen mit hoher Leistung zu starken Temperaturanstiegen. Die Freisetzung von Sauerstoff bei hohen Temperaturen kann zu Verbrennungsrisiken führen.

5. Der Lebenszyklus ternärer Lithiumbatterien erklärt

Was bedeutet die Zykluslebensdauer für ternäre Lithiumbatterien?

Die Zyklenlebensdauer einer ternären Lithiumbatterie gibt an, wie lange die Batterie hält, bevor ihre Kapazität auf 70% ihrer ursprünglichen Kapazität sinkt. Dies wird unter bestimmten Bedingungen getestet: bei Raumtemperatur (25 °C), normalem atmosphärischem Druck und einer Entladerate von 0,2 C. Im Allgemeinen wird die Zyklenlebensdauer von Lithiumbatterien anhand der Anzahl der Lade- und Entladezyklen gemessen, die sie durchlaufen können.

Vergleich der Zyklenlebensdauer verschiedener Batterien

Eine durchschnittliche ternäre Lithiumbatterie hat eine Zykluslebensdauer von etwa 800 Zyklen, was im Vergleich zu anderen Lithiumbatterietypen moderat ist. Beispielsweise können Lithium-Eisenphosphat-Batterien etwa 2.000 bis 6.000 Zyklen durchhalten, während Lithium-Titanat-Batterien bis zu 10.000 bis 25.000 Zyklen erreichen können.

Faktoren, die die Lebensdauer beeinflussen

Die Lebensdauer einer Batterie hängt auch von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Nutzungsumgebung, der Entladerate und der Batteriekonsistenz. Die längste Lebensdauer wird typischerweise bei einer Raumtemperatur von 25 Grad Celsius erreicht. Höhere oder niedrigere Temperaturen können die Lebensdauer der Batterie verkürzen. Idealerweise ist ein Entladestrom von 0,2 C optimal, um die Lebensdauer einer Lithiumbatterie zu maximieren. Hohe Stromstärken können die innere Struktur der Batterie beschädigen und so die Lebensdauer verkürzen.

6. Chinas Vorsprung in der Batterietechnologie: CATL und BYD im Aufwind

China ist führend in der BatterietechnologieUnternehmen wie CATL und BYD zählen zu den Top-Playern. Chinesische Autohersteller wie GAC und Nio sowie globale Marken wie Mercedes und Volkswagen nutzen die NCM811-Batterie von CATL. Die NCM811 ist eine ternäre Lithiumbatterie. Sie besteht aus Nickel, Kobalt und Mangan. Die Zahl 811 gibt die Zusammensetzung an: 80% Nickel, 10% Kobalt und 10% Mangan. Die Abkürzung „NCM“ steht für diese Metalle. Es gibt auch andere Batterien wie die NCM523 und NCM622. Viele nutzen die NCM532. Die neue CATL NCM811 hat jedoch eine Energie von 304 Wh/kg. Das bedeutet, dass die damit betriebenen Fahrzeuge eine größere Reichweite haben.

7. Die Batterie-Herausforderung: Die größte Hürde für Elektroautos

Das größte Problem bei Elektroautos ist die Batterielebensdauer. Kurz gesagt: Die Batterietechnologie muss verbessert werden. Heutige ternäre Lithiumbatterien sind stabil und leistungsstark. Sie können jedoch etwa 2.000 Mal geladen und entladen werden. Bei starker Beanspruchung oder unvollständiger Ladung nutzen sie sich schneller ab. Wenn die Lebensdauer einer Batterie weniger als 701 TP3T beträgt, ist sie hinüber. Die einzige Lösung ist eine neue Batterie.

China hat dafür Regeln. Autohersteller müssen auf wichtige Komponenten wie Batterien eine Garantie von acht Jahren oder 120.000 Kilometern geben. Was passiert danach? Bei Schäden oder Verschleiß zahlen die Besitzer für den Austausch. Aber lohnt sich das? Eine neue Batterie kann mehr kosten als das Auto wert ist. Batterien sind das teuerste Bauteil von Elektroautos.

Neue Elektroautos sind dank chinesischer Subventionen günstiger. Allerdings gibt es keine Subventionen für eine neue Batterie allein. Und Batterien sind teuer. Beispielsweise kostet BYDs 60-kWh-Batterie etwa 14.000 TP4T. Die 70-kWh-Batterie von Nio ist ebenso teuer. Teslas Kosten werden auf 14.141 TP4T pro kWh geschätzt. Die 60-kWh-Batterie für das Model 3 könnte also rund 11.000 TP4T kosten. Lohnt sich bei einer Lebensdauer von 5 bis 10 Jahren ein Batteriewechsel nach fünf Jahren? Das ist eine wichtige Frage.

8. Umweltschutz: Umgang mit Batterien

Warum die Förderung von Elektroautos? Der Umwelt zuliebe. Aber auch Batterien können die Umwelt verschmutzen. Wie sieht es also mit alten Autobatterien aus? Davon gibt es mittlerweile viele. In China gibt es eine Möglichkeit, sie zu entsorgen. Im August 2018 startete das Land ein Programm zum Recycling von Autobatterien. Die Unternehmen sollen zusammenarbeiten. Der führende Akteur ist die Tower Company. Sie ist in China führend. Tower Energy arbeitet mit vielen Automobilherstellern zusammen. Das Unternehmen verfügt über 2.075 Recyclingstellen an 31 Standorten. Der Fokus liegt auf der Wiederverwendung von Batterien.

Wie wird mit alten Batterien umgegangen? Zuerst werden sie eingesammelt und geprüft. Dann werden sie sortiert. Manche Batterien können nicht mehr verwendet werden. Diese werden zerlegt und in Metalle zerlegt. Diese Batterien enthalten schädliche Stoffe wie Quecksilber, Blei, Kupfer und mehr. Ihre Entsorgung schadet der Natur. Deshalb muss man vorsichtig sein. Ist eine Batterie noch in Ordnung, wird sie wiederverwendet. Alte, aber funktionsfähige Batterien werden an verschiedene Unternehmen verkauft. Sie können in großen Elektro-LKWs eingesetzt oder zur Stromerzeugung gespeichert werden. Sie werden beispielsweise in Stromnetzen, Staudämmen und Solarstraßenlaternen eingesetzt.

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