Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator

Ein NMC-Akkumulator, umgangssprachlich meist NMC-Batterie genannt, ist ein Typ eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Wie alle Akkumulatoren dient er dazu, elektrische Energie zu speichern und wieder abzugeben. Am positiven Pol dieses Akkumulators werden die namensgebenden Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide verwendet, die Lithiumionen abgeben und wieder aufnehmen können. Diese Oxide werden abgekürzt als Li-NMC, LNMC, NMC oder NCM bezeichnet, wodurch auch der Akkumulatortyp seinen Namen erhalten hat. Der Akkumulator gehört zu der Gruppe der Lithium-Ionen-Akkumulatoren und hat daher auch den gleichen, im Bild schematisch gezeigten Aufbau einer Zelle und dasselbe Funktionsprinzip wie alle Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Der Unterschied liegt hauptsächlich in der chemischen Zusammensetzung auf der positiven Elektrode.

Schematischer Aufbau einer NMC-Lithium-Ionen-Zelle. NMC speichert Lithiumionen auf der Pluspolseite, Graphit auf der Minuspolseite.

Eigenschaften

Als Nennspannung einer einzelnen NMC-Akkuzelle wird zumeist 3,6 V oder 3,7 V genannt. Die Ladeschlussspannung hängt von der Elektrolytzusammensetzung ab und liegt oft bei 4,2 V. Um die für eine Anwendung erforderliche Spannung, Kapazität und Stromstärke zu erhalten, werden NMC-Zellen oft in Form eines Akkupacks, d. h. als Batterie im engeren Sinne, verkauft. In Akkupacks werden die Zellen in Serie und/oder parallel verschaltet, wobei die Spannung durch die Anzahl der in Serie geschalteten Zellen und die Stromstärke sowie die Kapazität durch die Anzahl der parallel geschalteten Zellen variiert werden kann.

Verwendung

VW-MEB Plattform, gemeinsame Basis vieler E-Auto-Modelle der Volkswagen Gruppe. Im geöffneten Batteriekasten zwischen den Fahrzeugachsen liegen die Batterie-Module, die die NMC-Zellen enthalten.

NMC-Akkus finden sich in den meisten Pedelecbatterien und auch in den meisten Elektroautos. NMC-Akkus wurden 2011/2012 im BMW ActiveE eingebaut, und ab 2013 im BMW i8. Zu den Elektroautos mit NMC-Batterie zählen mit Stand 2020: Audi Q8 e-tron, Beijing Automotive Group EU5 R550, BMW i3, BYD Yuan EV535, Chevrolet Bolt, Hyundai Kona Electric, Jaguar I-Pace, Jiangling Motors JMC E200L, Nio ES6, Nissan Leaf, Renault Zoe, Roewe Ei5, Škoda Enyaq, VW e-Golf und VW ID.3. Bis 2018 waren in China, dem weltgrößten Markt für Batterie-Elektroautos, ungefähr drei Millionen dieser Fahrzeuge verkauft worden. 77 % der Gesamtkapazität der Akkus dieser Autos beruhten auf NMC. Es gibt nur wenige Elektroauto-Hersteller, die in ihren Antriebsbatterien kein NMC verwenden. Die wichtigste Ausnahme ist Tesla, da Tesla für seine Fahrzeuge NCA-Akkus und LFP-Akkus nutzt. Der Heimspeicher Tesla Powerwall basiert auf NMC, die Tesla Powerwall 2 basiert auf LiFePo4 Technologie.

Auch für Mobilelektronik wie Mobiltelefone und Notebooks wird NMC eingesetzt. Für diese Anwendungen waren noch 2008 praktisch ausschließlich Akkus mit LCO, d. h. Lithiumcobaltoxid, verwendet worden, heute hat NMC die Rolle des wichtigsten Batteriematerials für die Pluspolseite übernommen. Eine weitere Anwendung von NMC-Akkus sind Batterie-Speicherkraftwerke. Beispielsweise wurden 2016 in Korea zwei solcher Speichersysteme mit NMC zur Frequenzregulierung installiert: eines mit 16 MW Leistung und 6 MWh Energie und eines mit 24 MW und 9 MWh. 2017/2018 wurde eine Batterie mit über 30 MW Leistung und 11 MWh in Newman im australischen Bundesstaat Western Australia errichtet und in Betrieb genommen.

Vorteile

• Da Cobalt und Cobaltoxide wie Lithium-Cobalt(III)-oxid relativ teuer sind, ist NMC im Vergleich dazu kostengünstiger, was auch die Akkumulatoren günstiger macht.
• Durch die Vielzahl möglicher Zusammensetzungen lassen sich für verschiedene Anwendungen optimierte Zusammensetzungen finden, z. B. entweder für hohe Leistungen oder hohe Kapazität.
• NMC-Zellen und -Akkus können sehr langlebig sein. Eine auf umfangreichen Tests beruhende Abschätzung besagt, dass ein Elektroauto mit einem Akku, der mehrere tausende Male ge- und entladen wird, über 1,6 Millionen Kilometer zurücklegen könne, wenn es mit einem NMC-Akku des Typs LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂/Graphit angetrieben wird. Manche Typen sind dabei auch für Schnellladen geeigneter.

Varianten

Wie alle Lithiumionenakkumulatoren kann auch die NMC-Batterie als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgeführt sein, und auch alle Bauformvarianten wie Pouch-Zelle oder Rundzelle einschließlich der Knopfzelle sind möglich. Die Varianten, die sich durch die unterschiedlichen Oxidzusammensetzungen, d. h., durch verschiedene Mischungsverhältnisse von Lithium, Nickel, Mangan und Cobalt ergeben – wie z. B. NMC333, NMC622, NMC811 –, sind unter Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide beschrieben.

Reaktionsgleichungen

Die Elektrode mit dem Ni-Mn-Co-Oxid bildet bei allen Betriebszuständen die Pluspolseite des Akkumulators. Beim Entladen findet im Oxid eine Reduktion statt, da es Elektronen aufnimmt. Die NMC-Elektrode ist in diesem Fall die Kathode, und die Reaktion lautet:

In allen bisher erhältlichen kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen und damit auch im NMC-Akkumulator ist die wichtigste Reaktion auf der Minuspolseite beim Entladen eine Oxidation der Kohlenstoff-Lithium-Verbindung, die daher die Anode bildet:

Beim Laden werden die beiden Reaktionen durch die von außen angebrachte Gleichspannung umgekehrt.

Einzelnachweise

1. Peter Miller: Automotive Lithium-Ion Batteries. In: Johnson Matthey Technology Review. Band 59, Nr. 1, 2015, S. 4–13, doi:10.1595/205651315X685445 (online). 
2. Lithium-Ionen-Akkus – Grundlagen und Design. In: www.elektronikpraxis.vogel.de. Abgerufen am 6. November 2020. 
3. Batterie – Beschreibung von Batterietypen. Lithium-Ionen-Batterien. (Nicht mehr online verfügbar.) In: Go Pedelec! energieautark consulting gmbh, 27. Oktober 2010, ehemals im Original; abgerufen am 17. Oktober 2015: „Die meistverbreitteste Li-ionzelle auf dem Markt ist die Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Zelle (Li-NMC) mit einer Nominalspannung von 3.6 V je Zelle.“ 
4. Apurba Sakti, Jeremy J. Michalek, Erica R.H. Fuchs, Jay F. Whitacre: A techno-economic analysis and optimization of Li-ion batteries for light-duty passenger vehicle electrification. In: Journal of Power Sources. Band 273, 1. Januar 2015, S. 966–980, doi:10.1016/j.jpowsour.2014.09.078 (pdf online auf den Seiten des Design Decisions Laboratory der Mechanical Engineering Faculty der Carnegie Mellon University [abgerufen am 23. Februar 2020]). 
5. Wangda Li, Evan M. Erickson, Arumugam Manthiram: High-nickel layered oxide cathodes for lithium-based automotive batteries. In: Nature Energy. Band 5, Nr. 1. Springer Nature, Januar 2020, ISSN 2058-7546, S. 26–34, doi:10.1038/s41560-019-0513-0 (nature.com). 
6. Martin Franz: Test Skoda Enyaq iV 80: Elektrisches SUV als Kombi-Nachfolger. heise online, 11. Oktober 2021, abgerufen am 30. Mai 2023. 
7. Xin Sun, Xiaoli Luo, Zhan Zhang, Fanran Meng, Jianxin Yang: Life cycle assessment of lithium nickel cobalt manganese oxide (NCM) batteries for electric passenger vehicles. In: Journal of Cleaner Production. Band 273, 10. November 2020, ISSN 0959-6526, S. 123006, doi:10.1016/j.jclepro.2020.123006 (sciencedirect.com). 
8. Zachary Shahan: 38,000 Tesla Powerwall Reservations In Under A Week (Tesla / Elon Musk Transcript). In: CleanTechnica. 7. Mai 2015, abgerufen am 23. Februar 2020 (amerikanisches Englisch). 
9. Jürgen Garche, Klaus Brandt: Electrochemical Power Sources: Fundamentals, Systems, and Applications: Li-battery safety. 1. Auflage. Elsevier, Amsterdam, Netherlands 2018, ISBN 978-0-444-64008-6, S. 128 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 23. Februar 2020]). 
10. Sébastien Patoux, Lucas Sannier, Hélène Lignier, Yvan Reynier, Carole Bourbon, Séverine Jouanneau, Frédéric Le Cras, Sébastien Martinet: High voltage nickel manganese spinel oxides for Li-ion batteries. In: Electrochimica Acta. Band 53, Nr. 12, Mai 2008, S. 4137–4145, doi:10.1016/j.electacta.2007.12.054. 
11. Kokam: Kokam's 56 Megawatt Energy Storage Project Features World's Largest Lithium NMC Energy Storage System for Frequency Regulation. In: PR Newswire. PR Newswire Association LLC, 7. März 2016, abgerufen am 23. Februar 2020 (englisch). 
12. Giles Parkinson: Alinta sees sub 5-year payback for unsubsidised big battery at Newman. In: RenewEconomy. 12. August 2019, abgerufen am 23. Februar 2020 (australisches Englisch). 
13. Energy Storage Solution Provider. (PDF) Abgerufen am 23. Februar 2020 (englisch). 
14. Jessie E. Harlow, Xiaowei Ma, Jing Li, Eric Logan, Yulong Liu, Ning Zhang, Lin Ma, Stephen L. Glazier, Marc M. E. Cormier, Matthew Genovese, Samuel Buteau, Andrew Cameron, Jamie E. Stark, Jeff R. Dahn: A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion Cell Chemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies. In: Journal of The Electrochemical Society. Band 166, Nr. 13, 2019, ISSN 0013-4651, S. A3031–A3044, doi:10.1149/2.0981913jes (iop.org – Hohe Temperaturen verkürzen die Lebensdauer: Ein in heißer Umgebung (40 °C) fahrendes Elektroauto könne ca. 1,2 Mio. Kilometer fahren, ehe der Akku nur noch 70 % seiner Ausgangskapazität hat. Dafür wurden 3650 Lade- und Entladevorgänge angenommen.).