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Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) als Kathodematerial

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Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) als Kathodenmaterial

Einführung NCA Kathode

Ungefähre Summenformel: Li-(NiCoMn)O2

Allgemein zu NCA-Lithium-Ionen-Batterien

Die Lithium–Nickel–Kobalt-Aluminium-Oxide (NCAs) sind eine Gruppe von Mischmetalloxiden. Einige von ihnen sind aufgrund ihrer Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien wie auch NMC und LFP von Bedeutung. NCAs werden als aktives Material am positiven Pol (der bei entladener Batterie die Kathode ist) verwendet. NCAs setzen sich aus den Kationen der chemischen Elemente Lithium, Nickel, Kobalt und Aluminium zusammen. Bei den derzeit auf dem Markt befindlichen NCA-Batterien, die auch in Elektroautos und Elektrogeräten verwendet werden, beträgt die Spannung dieser Batterien liegt zwischen 3,6 V und 4,0 V, bei einer Nennspannung von 3,6 V oder 3,7 V.

Eigenschaften NCA Kathoden und -Batterien

Die nutzbare Ladungsspeicherkapazität von NCA beträgt etwa 180 bis 200 mAh/g. Dies liegt deutlich unter den theoretischen Werten; für LiNi0,8Co0,15Al0,05O2 sind es 279 mAh/g. Die Kapazität von NCA ist jedoch deutlich höher als die von alternativen Materialien wie Lithiumkobaltoxid LiCoO2 mit 148 mAh/g, Lithiumeisenphosphat LiFePO4 mit 165 mAh/g und NMC 333 LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 mit 170 mAh/g. NCA gehört wie LiCoO2 und NMC 811 zu den Kathodenmaterialien mit Schichtstruktur.

Die beiden Materialien NCA und NMC haben verwandte Strukturen, ein recht ähnliches elektrochemisches Verhalten und zeigen ähnliche Leistungen, insbesondere relativ hohe Energiedichten und relativ hohe Leistungen. Es wird geschätzt, dass die NCA-Batterie des Modells 3 zwischen 4,5 und 9,5 kg Kobalt und 11,6 kg Lithium enthält.

Aufgrund der hohen Spannung ermöglicht NCA Batterien mit hoher Energiedichte. Ein weiterer Vorteil von NCA ist die hervorragende Schnellladefähigkeit. Nachteile sind die hohen Kosten und die begrenzten Ressourcen an Kobalt und Nickel.

Vorteile und Nachteile von NCA Kathoden und -Batterien

Nickelreiche NCA-Kathoden

NCAs LiNixCoyAlzO2 mit x ≥ 0,8 werden als nickelreich bezeichnet. Diese Verbindungen sind die wichtigsten Varianten der Stoffklasse. Die nickelreichen Varianten sind auch kobaltarm und haben daher einen Kostenvorteil, da Kobalt relativ teuer ist. Ausserdem steigt mit zunehmendem Nickelgehalt die Spannung und damit die Energie, die in der Batterie gespeichert werden kann. 

 

Mit zunehmendem Nickelgehalt steigt jedoch auch das Risiko eines thermischen Zusammenbruchs und einer vorzeitigen Alterung der Batterie. Wenn eine typische NCA-Batterie auf 180 °C erhitzt wird, kommt es zu einem thermischen Durchgehen. Wenn die Batterie zuvor überladen wurde, kann ein thermisches Durchgehen auch bei 65 °C auftreten. 

 

Die Aluminiumionen in NCA erhöhen die Stabilität und Sicherheit, verringern aber die Kapazität, da sie selbst nicht an der Oxidation und Reduktion teilnehmen.

 

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