Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxide

Die Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxide, kurz NCA genannt, bilden eine Stoffgruppe aus Oxiden. Ihre wichtigsten Vertreter sind durch ihre Anwendung in Lithium-Ionen-Akkumulatoren bedeutend. Dort werden sie als Aktivmaterial auf der Pluspolseite eingesetzt, die beim Entladen der Batterie die Kathode ist. Sie sind Mischoxide mit den Kationen des Lithiums, des Nickels, des Cobalts und des Aluminiums. Die wichtigsten Vertreter haben die allgemeine Formel LiNi_xCo_yAl_zO₂ mit x + y + z = 1. Für die momentan im Handel erhältlichen Akkus mit NCA, die auch in Elektroautos und Elektrogeräten eingesetzt werden, ist x ≈ 0,8, und die Spannung der Akkus liegt bei zwischen 3,6 V und 4,0 V, bei einer Nennspannung von 3,6 V oder 3,7 V. Eine im Jahr 2019 aktuelle Variante der Oxide ist LiNi_0,84Co_0,12Al_0,04O₂.

Eigenschaften

Die nutzbare Kapazität der Ladungsspeicherung von NCA liegt bei etwa 180 bis 200 mAh/g. Dies liegt deutlich unterhalb der theoretischen Werte; für LiNi_0,8Co_0,15Al_0,05O₂ ist dieser 279 mAh/g. Die Kapazität von NCA ist aber deutlich höher als alternativer Materialien, z. B. Lithiumcobaltoxid LiCoO₂ mit 148 mAh/g, Lithiumeisenphosphat LiFePO₄ mit 165 mAh/g und NMC 333 LiNi_0,33Mn_0,33Co_0,33O₂ mit 170 mAh/g. Wie LiCoO₂ und NMC gehört NCA zu den Kathodenmaterialien mit Schichtstruktur. Aufgrund der hohen Spannung ermöglicht NCA Batterien mit hoher Energiedichte. Ein weiterer Vorteil von NCA ist die hervorragende Schnelladefähigkeit. Nachteile sind die hohen Kosten und die begrenzten Ressourcen an Cobalt und Nickel.

Die beiden Stofftypen NCA und NMC haben verwandte Strukturen, ein recht ähnliches elektrochemisches Verhalten und ähnliche Leistungsdaten, die für beide relativ hohe Energiedichten und relativ hohe Leistungen ermöglichen. Es wird geschätzt, dass die NCA-Batterie des Model 3 zwischen 4,5 und 9,5 kg Cobalt und 11,6 kg Li enthält.

Das mit NCA eng verwandte Lithiumnickeloxid LiNiO₂ bzw. das Nickeloxid NiO₂ selbst kann bisher nicht als Batteriematerial verwendet werden, da es mechanisch instabil ist, einen schnellen Kapazitätsverlust zeigt und Sicherheitsprobleme hat.

Verwendung

Teslas Fahrzeuge – hier ein Model 3 – werden mit NCA-Akkus angetrieben.

Auch die Motoren der Model-X-Reihe fahren mit Strom aus NCA-Akkus.

Tesla verwendet NCA als Aktivmaterial in den Antriebsbatterien seiner Elektroautos. In den Modellen Tesla Model S, Tesla Model X, Tesla Model 3 und Tesla Model Y wird LiNi_0,84Co_0,12Al_0,04O₂ eingesetzt. Mit wenigen Ausnahmen nutzten 2019 Elektroautos entweder NCA oder alternativ Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide NMC. Neben der Anwendung in Elektroautos wird NCA auch in Akkus für elektronische Geräte verwendet, vor allem von Panasonic, Sony und Samsung. Auch kabellose Staubsauger werden mit NCA-Akkus ausgestattet.

Vorteile und Probleme

Vertreter der NCA-Stoffgruppe LiNi_xCo_yAl_zO₂ mit x ≥ 0,8 nennt man nickelreich (englisch Ni-rich); sie sind die wichtigsten Vertreter der gesamten NCA-Stoffklasse. Die nickelreichen Varianten sind gleichzeitig cobaltarm und haben daher einen Kostenvorteil, da Cobalt relativ teuer ist. Außerdem steigen mit zunehmendem Nickelanteil auch die Spannung und damit die Energie, die in der Batterie gespeichert werden kann. Allerdings erhöht sich mit zunehmendem Nickelanteil auch die Gefahr des thermischen Durchgehens und der vorzeitigen Alterung der Batterie. Wenn eine typische NCA-Batterie auf 180 °C erhitzt wird, geht sie thermisch durch. Wenn die Batterie beim Aufladen zuvor überladen wurde, kann das thermische Durchgehen schon bei 65 °C einsetzen. Die Aluminiumionen im NCA erhöhen die Stabilität und die Sicherheit, aber sie verringern die Kapazität, da sie an Oxidation und Reduktion nicht selbst teilnehmen.

Hersteller

Der wichtigste Hersteller von NCA-Akkus ist Panasonic bzw. Panasonics Kooperationspartner Tesla. Die wichtigsten Hersteller von NCA und ihre Marktanteile waren im Jahr 2015 Sumitomo Metal Mining mit 58 %, Toda Kogyo (BASF) mit 16 %, Nihon Kagaku Sangyo mit 13 % und Ecopro mit 5 %. Sumitomo beliefert Tesla und Panasonic und konnte im Jahr 2014 monatlich 850 Tonnen NCA herstellen. 2016 steigerte Sumitomo seine monatliche Produktionskapazität auf 2550 Tonnen, 2018 auf 4550 Tonnen. In China, im Kreis Tongren in der Provinz Qinghai, wird seit 2019 ein Werk aufgebaut, das zunächst 1500 Tonnen NCA monatlich herstellen soll.

Modifikationen des Materials

Um NCA beständiger zu machen, insbesondere wenn die Batterie auch bei Temperaturen oberhalb 50 °C funktionieren soll, wird das NCA-Aktivmaterial gewöhnlich beschichtet. Die in Forschungsarbeiten genutzten Beschichtungen bestanden aus Fluoriden wie Aluminiumfluorid AlF₃, aus kristallinen (z. B. CoO₂, TiO₂, NMC) oder glasartigen (SiO₂) Oxiden oder aus Phosphaten wie FePO₄.

Einzelnachweise

1. Marca M. Doeff: Battery Cathodes. Selected Entries from the Encyclopedia of Sustainability Science and Technology. In: Ralph J. Brodd (Hrsg.): Batteries for Sustainability. Springer, New York, NY 2013, ISBN 978-1-4614-5790-9, S. 5–49, doi:10.1007/978-1-4614-5791-6_2. 
2. Agus Purwanto, Cornelius Satria Yudha, U Ubaidillah, Hendri Widiyandari, Takashi Ogi: NCA cathode material: synthesis methods and performance enhancement efforts. In: Materials Research Express. Band 5, Nr. 12. IOP Publishing, 26. September 2018, S. 122001, doi:10.1088/2053-1591/aae167. 
3. Evan Leon: (PDF) (Nicht mehr online verfügbar.) In: energy.umich.edu. University of Michigan Energy Institute, 26. Oktober 2018, archiviert vom Original am 16. Juni 2019; abgerufen am 15. Februar 2020 (englisch).  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/energy.umich.edu 
4. Matteo Bianchini, Maria Roca-Ayats, Pascal Hartmann, Torsten Brezesinski, Jürgen Janek: There and Back Again-The Journey of LiNiO₂ as a Cathode Active Material. In: Angewandte Chemie International Edition. Band 58, Nr. 31. Wiley-VCH, 29. Juli 2019, S. 10434–10458, doi:10.1002/anie.201812472. 
5. James Ayre: Tesla Batteries 101 — Production Capacity, Uses, Chemistry, & Future Plans. In: CleanTechnica cleantech-focused news & analysis. CleanTechnica, 2. Dezember 2017, abgerufen am 2. Dezember 2020 (amerikanisches Englisch). 
6. Fred Lambert: Tesla battery researcher unveils new chemistry to increase lifecycle at high voltage. In: Electrek. Electrek, 9to5 network, 4. Mai 2017, abgerufen am 12. Februar 2020 (amerikanisches Englisch). 
7. Gyeong Won Nam, Nam-Yung Park, Kang-Joon Park, Jihui Yang, Jun Liu: Capacity Fading of Ni-Rich NCA Cathodes: Effect of Microcracking Extent. In: ACS Energy Letters. Band 4, Nr. 12, 13. Dezember 2019, S. 2995–3001, doi:10.1021/acsenergylett.9b02302. 
8. Christophe Pillot: Lithium ion battery raw material Supply & demand 2016–2025. (PDF) In: avicenne.com. Avicenne, 30. Januar 2017, abgerufen am 16. Februar 2020 (englisch). 
9. Dyson Cordless Vacuum Comparison Chart: Comparing Best With The Best - Powertoollab. In: Best Power Tools For Sale, Expert Reviews and Guides. 22. August 2018, abgerufen am 22. Februar 2020 (amerikanisches Englisch). 
10. Sheng S. Zhang: Problems and their origins of Ni-rich layered oxide cathode materials. In: Energy Storage Materials. Band 24, Januar 2020, S. 247–254, doi:10.1016/j.ensm.2019.08.013. 
11. Xuan Liu, Kang Li, Xiang Li: The Electrochemical Performance and Applications of Several Popular Lithium-ion Batteries for Electric Vehicles – A Review. In: Advances in Green Energy Systems and Smart Grid. Band 925. Springer Singapore, Singapore 2018, ISBN 978-981-13-2380-5, S. 201–213, doi:10.1007/978-981-13-2381-2_19 (Vorabversion online [PDF; abgerufen am 15. Februar 2020]). 
12. Yuka Obayashi, Ritsuko Shimizu: Japan's Sumitomo to focus on battery material supply to Panasonic, Toyota. In: Reuters. 13. September 2018, abgerufen am 17. Februar 2020. 
13. James Ayre: Sumitomo Metal Mining Boosting NCA (Used In Lithium-Ion Cathodes) Production By 38 %, In Anticipation Of Tesla Model 3 Launch. In: evobsession.com. 26. Februar 2016, abgerufen am 16. Februar 2020 (englisch). 
14. Frank Liu: Construction of 50,000 mt NCA cathode material project began in Qinghai. In: SMM news – news.metal.com > news > industry news. Shanghai Metals Market SMM, SMM Information & Technology Co, 13. November 2019, abgerufen am 22. Februar 2020 (englisch).