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Energieeffizienz & Energiespeicher
Der Energieverbrauch kann grundsätzlich in jedem Bereich mit Energieeffizienz stark gesenkt werden.
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Batterien mit NMC-Kathoden sind das derzeit die erfolgreichsten Lithium-Ionen-Systeme, welche in der aktuellen (2022) Generation von umweltfreundlichen Elektroautos eingebaut werden. Wie die LMS-Systeme können NMC-Systeme auf elektrische Leistung oder hohe Kapazitäten ausgelegt werden. NMC-basierte Batterien fanden daher auch schon Anwendung in Demonstrationsflügen mit batteriebetriebenen Elektroflugzeugen.
So gibt es etwa 18650-er Zellen, die für moderate Ladebedingungen ausgelegt sind und Kapazitäten von 2.800 mAh aufweisen. Sie liefern Ströme zwischen 4 und 5 A. Der gleiche Zelltyp lässt sich aber auch für besonders hohe, kontinuierliche Entladeströme von 20 A optimieren. Bietet dann aber nur noch eine Kapazität von rund 2.000 mAh. In Kombination mit Anoden auf Siliziumbasis liessen sich die Kapazitäten auf sehr hohe Kapazität steigern, allerdings sind diese bislang noch mit kürzeren Lebenszeiten und schlechteren Ladeleistungen verbunden. Viele wissenschaftliche Projekte arbeiten aber daran, diese Nachteile zu eliminieren.
NMC-Kathoden bieten einen guten Kompromiss aus guter allgemeiner elektrochemischer Leistungsfähigkeit (Performance), hohen Energiedichten und Kosten. Die spezifische Energiedichte ist besser als die von LFP, LMO und LCO. Die Entladungsrate (Leistung pro Zeit) ist besser als bei LCO-Kathoden, aber nicht besser als bei LFP-Kathoden.
Vor dem Jahr 2017 setzten Batteriehersteller vorwiegend auf eine NMC-Batterie mit gleichen Anteilen (NMC 111) von Nickel, Kobalt und Mangan (im Verhältnis von 1:1:1) mit 33 % Kobalt und 33 % Nickelanteil. Der Nickel– und Kobalt-Gehalt in der Kathode wurde ständig optimiert.
Ein höherer Nickelgehalt in NMC 811 erhöht die Kapazität und Energie der Kathode, bietet den Vorteil, dass in den Batterien über lange Strecken mehr Energie bereitgestellt wird und die Batterien ein geringeres Gewicht aufweisen.
Die Lebensdauer dieser Batterien ist allerdings noch problematisch in der Herstellung (da NMC 811 weniger stabil ist) und ist mit höheren Kosten verbunden ist. Zudem führt der tiefere Kobalt-Anteil auch zu tieferer Lebensdauer und Zyklen-Stabilität.
Jüngsten Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass die Kombination von Mn-Al anstelle Mn-Co Kombination mit hohem Ni-Gehalt (LiNi0.9Mn0.05Al0.05O2, NMA-900505) eine vielversprechenden Kathode ergiebt. Der Al-Anteil scheint die Zyklenstabilität deutlich zu erhöhen. So wird auch die thermische Stabilität von NMC-900505 erhöht. A
Selbst eine geringe Menge an Al3+ und Mg2+-Dotierung in LiNi0.9Mn0.04Co0.04Al0.01Mg0.01O2
(NMCAM-9004040101) verbessert drastisch die Zyklierbarkeit von NMC-900505 durch Verringerung der Oberflächenreaktivität und Pulverisierung.
NMA-Kathoden sind daher vielversprechende kobaltfreie Alternativen in der Zukunft nach NMC 811.
Cobalt for Batteries & Electric Vehicles, Cobalt Institute, retrieved March 2023.
Nickel in batteries, Nickel Institute, retrieved March 2023
Der Energieverbrauch kann grundsätzlich in jedem Bereich mit Energieeffizienz stark gesenkt werden.
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