Letzte Aktualisierung: 09.12.2017

Wie gut eignen sich Nickel-Mangan-Cobalt-Akkus als PV-Stromspeicher?

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Was ist ein Nickel-Mangan-Cobalt-Akku? Welche technischen Eigenschaften hat er? Welche Vor- und Nachteile gibt es? Wie sicher sind NMC als Solarbatterien?

Nickel-Mangan-Cobalt (kurz: NMC bzw. NCM) sind Metalle, die Lithium-Ionen Akkus "beigemischt" werden, um ihre Energiedichte zu erhöhen. Das Speichermaterial wird fachlich korrekt als Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (kurz: Li-NMC, LNMC) bezeichnet. Es besteht aus Mischoxiden der Elemente Lithium, Nickel, Mangan und Cobalt und hat eine Schichtstruktur. Nickel-Mangan-Cobalt-Mischungen zählen heute zu den am häufigsten genutzten Materialien in Stromspeichern.

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Unterscheidung von Lithium-Ionen-Akkus

Es gibt heute eine ganze Reihe von Akkumulatoren, kurz: Akkus, die auf Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle basieren: In der negativen wie positiven Elektrode sowie im Elektrolyt stecken demnach Lithium-Ionen. Sie alle zeichnet eine Eigenschaft aus: ihre hohe Energiedichte. Die ist so hoch, dass man Lithium-Ionen-Akkus den Beinamen „Speicherwunder“ gegeben hat. Speichertechnischer ausgedrückt soll das heißen: Auf minimalem Raum speichern Lithium-Ionen-Akkus ein Maximum an Energie.

Die Vielzahl unterschiedlicher Solarbatterie-Typen ergibt sich in erster Linie aus Unterschieden in deren chemischem Aufbau. Gängig sind beispielsweise:

Lithium-Cobaltdioxid-Akku

In einem Lithium-Cobaltdioxid-Akku (LiCoO2-Akku) dient Lithium-Cobalt(III)oxid (LiCoO2) als positives Elektrodenmaterial. Dieser Akku-Typ steckt im Großteil heute handelsüblicher Mobilgeräte, wobei der entsprechende Lithium-Cobaltdioxid-Akku wegen der kompakt gebauten Zelle als Lithium-Polymer-Akku ausgelegt ist.

Der Lithium-Cobaltdioxid-Akku war übrigens der erste Lithium-Ionen-Akku, der verfügbar war. Seine große Verbreitung, besser: die Verbreitung seiner chemischen Beschaffenheit auf Lithium-Basis, führte dazu, dass man bis heute umgangssprachlich für alle Lithium-Ionen-Akkus den Oberbegriff Lithium-Ionen-Akku benutzt, gleichwohl das mit der Entwicklung anderer Elektrodenmaterialien, die sich in den aus dem Material resultierenden Eigenschaften teilweise stark unterscheiden, eine unangebrachte Vereinheitlichung bedeutet.

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akku

Durch die Zugabe neuer Materialien sind zum Beispiel der Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akku (NMC) oder der Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akku (NCA) entstanden. Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide sind beispielsweise

  • LiNi0,33Co0,33Mn0,33O2, die Mischoxide aus dem genannten
  • LiCoO2, aus LiNiO2 und LiMnO2 sind.

Ohne Mangan dagegen kommt die Mischoxid-Variante LiNi1−xCoxO2 aus.

Im Handel sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren wie der Nickel-Mangan-Cobalt-Akku in zylindrischer Bauform mit speziellem meist metallischem Gehäuse als konfektionierte Einzelzellen üblich. Diese verfügen über einen Energiegehalt von häufig 2 bis 6 Amperestunde (Ah). Einen etwas größeren Energiegehalt von i.d.R. bis zu 45 Ah bieten rechteckige Pouch-Zellen mit einer flexiblen Folienaußenhülle, die vakuumiert ist und häufig auf Aluminium basiert. Den größten Energiegehalt von häufig 60 Ah bieten prismatische, ebenfalls rechteckige Akkus.

Tabelle 1: Übersicht verschiedener Li-Zelltypen nach Einsatzbereich und beispielhaftem Energiegehalt
Anwendungsbereich kleine Li-Zellen für z. B. Mobilgerätesektor (Handy etc.) Stromspeicher für u.a. Photovoltaik-(PV)-Anlagen
Zylindrisch (Hardcae) 2Ah 6Ah
Pouch Cell (Softpack) 1Ah 45Ah
Prismatisch (Hardcase) - 60Ah

Spezifische Eigenschaften als Stromspeicher

Welche spezifischen Kenndaten ein Lithium-Ionen-Akku grundsätzlich mitbringt, darunter

  • die Zellenspannung,
  • die Temperaturempfindlichkeit,
  • die Lade- und Entladeschlussspannung und
  • der maximal erlaubte Lade- oder Entladestrom,

das hängt von der Bauart des Akkus und seiner chemischen Beschaffenheit, also den verwendeten Elektrodenmaterialien und dem Elektrolyt ab. Das ist auch der Grund dafür, dass es durchaus Sinn macht, den Lithium-Ionen-Akku konkret zu benennen, da sich aus der Angabe der verwendeten Speichermaterialien direkt auf die Eigenschaften des Akkus schließen lässt.

Wie alle Lithium-Ionen-Akku hat auch der Nickel-Mangan-Cobalt-Akku hermetisch versiegelte Zellen. Er lässt sich demnach lageunabhängig betreiben. Die spezifische Energie des Akku-Typs liegt zwischen von 150 Wh/kg und die Energiedichte bei um die 400 Wh/l. Die sogenannte Selbstentladungsrate des NMC-Akkus liegt im Bereich von zwei bis acht Prozent monatlich.

Das machte Lithium-Ionen-Akkus als elektrischer Energiespeicher bislang insbesondere für mobile Anwendungen interessant, denn sie gehören zu den Akkus mit vergleichsweise kompaktem (klein und leicht) Aufbau.

Anders als in Lithium-Ionen-Akkus zum Wiederaufladen und in Lithium-Akkus wie dem sogenannten Lithium-Luft-Akkumulator, in denen metallisches Lithium steckt, enthalten Nickel-Mangan-Cobalt-Akkus kein metallisches Lithium in ihrem Inneren. Ihr Lithium-Anteil ist chemisch gebunden. Je nach Akku-Typ kommen in Lithium-Ionen-Akkus, darunter auch die mit dem Speichermaterial Nickel-Mangan-Cobalt 80 bis 130 Gramm chemisch reines Lithium zum Einsatz, um eine Speicherfähigkeit von einer Kilowattstunde (kWh) zu erzielen.

Dazu ist noch anzumerken, dass die Lithium-Ionen in Nickel-Mangan-Cobalt-Akkus monovalent sind, was ihre im Verglich zu multivalenten Ionen höherer Diffusion begründet.

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Überladungen

Auch die folgende Eigenschaft hat der Nickel-Mangan-Cobalt-Akku mit allen Lithium-Ionen-Akkus gemein: Seine Zellen verkraften wegen ihrer materialspezifischen Zellchemie keine Überladungen. Das bedeutet für die praktische Anwendung: Im Verbund mehrerer Zellen in Reihe, was dazu dienen soll, dass eine höhere elektrische Spannung erzielt wird, sind extra Maßnahmen zu treffen, um Toleranzen auszugleichen:

Die Rede ist hier von fertigungsbedingten Streuungen verschiedener Parameter der Akkuzellen, etwa Kapazität und Leckströme. Zum Beispiel kann als solche Maßnahme zwischen den Zellen ein Batteriemanagementsystems (kurz: BMS) eingerichtet werden. Oder man nutzt für denselben Zweck einen Balancer, also einen passenden Ausgleichsregler.

Übertemperatur

Wie viele Lithium-Ionen-Akkus reagiert auch der Nickel-Mangan-Cobalt-Akku sensibel auf zu große Hitze (Stichwort: Übertemperatur). Diese kann zum Beispiel bei Überladungen aufkommen, weil bei Mischoxiden wie Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden ab Temperaturen von etwa 180 Grad Celsius ein Effekt namens thermisches Durchgehen eintritt, der in der Regel zur Zerstörung (Zerbersten) des Akkus führt (Stichworte: Brand, Explosion), weil der Druck (Stichwort: Überdruck) zu hoch wird. Insbesondere Nickeldioxide neigen sehr dazu.

Der Effekt thermisches Durchgehen setzt Sauerstoff frei, weil das Oxid im Akku aufgrund der entstehenden Hitze chemisch zerfällt. Der freigesetzte Sauerstoff geht mit den Zellbestandteilen, darunter das Elektrolyt, chemische Reaktionen, was schließlich eine dynamische und von außen nicht aufhaltbare sogenannte exotherme Reaktion nach sich zieht, infolge derer der Akku thermisch zerstört wird.

Abhilfe schaffen Speichermaterialien, die neben den bereits genannten Metalloxiden auch Eisenphosphate (Akku-Typ: Lithium-Eisenphosphat-Akku) an der positiven Elektrode enthalten: Diese neigen nicht zum thermischen Durchgehen, dafür ist ihre spezifische Kapazität jedoch deutlich kleiner.

Brandgefahr unterschiedlicher Kathodenmaterialien

Lithium-(Li-)Ionen-Batterien bergen wie jede Technologie gewisse Risiken, insbesondere bei nicht fachgerechter Handhabung oder anderen äußeren Einflüssen. Da es sich um elektrische Geräte handelt, bergen Lithium-Ionen Speicher vor Allem ein Brandrisiko.

Denn alle Komponenten der Lithium-Ionen Zelle wie der Anode, Kathode, Elektrolyt und dem Separator sind potentiell brennbar. Ihre Reaktivität ist dabei abhängig vom Ladezustand der Zelle. Ein wesentlicher Unterschied im Brandverhalten wird jedoch durch das verwendete Anoden- und Kathodenmaterial hervorgerufen.

Entscheidend für das Verhalten einer Li-Ionen-Zelle bei einer mechanischen Beschädigung, einer Überhitzung oder einer Überladung ist das aktive Kathodenmaterial, dessen chemische Zusammensetzung sich beim Lade- und Entladevorgang verändert.

Tabelle 2: Einschätzung des Brandrisikos nach Kathodenmaterialien
Kathodenmaterialien Beispiele Brandgefahr
Schichtoxide aus Cobalt, Nickel, Mangan oder Aluminium LiCoO2 (LCO); weitere Beispiele sind LNO, NMC und NCA Beim Ladevorgang und insbesondere beim Überladen verarmt das Kathodenmaterial an Lithium, so dass das Sauerstoffpotential zunimmt. Das bedeutet, das Kathodenmaterial wird zunehmend brandfördernd.
Spinelle aus Mangan LiMn2O4 (LMO) Das mit zunehmendem Ladezustand entstehende Sauerstoffpotential ist wesentlich geringer als bei LCO-Zellen.
Phosphate aus Eisen, Cobalt, Nickel oder Mangan LiFePO4 (LFP); weitere Beispiele sind LMP und LFMP Das mit zunehmendem Ladezustand entstehende Sauerstoffpotential ist sehr gering im Vergleich zu LCO- oder LMO-Zellen.

Das thermische Durchgehen ist bei allen Zellen grundsätzlich möglich, unabhängig vom Kathodenmaterial. Mit abnehmendem Sauerstoffpotential des eingesetzten Kathodenmaterials sinkt aber dessen brandfördernde Eigenschaft.

Viele weitere Informationen zum Brandrisiko von Lithium-Ionen-Batterien finden Sie im Merkblatt für Einsatzkräfte "Einsatz an stationären Lithium-Solarstromspeichern - Hinweise für die Brandbekämpfung und technische Hilfeleistung".

Nachhaltigkeits-Kritik am Einsatz von Nickel, Mangan und Kobalt

Der Einsatz von Nickel, Mangan und Kobalt muss jedoch auch kritisch hinterfragt werden. So wird u.a. Kobalt immer knapper und teurer. Die Preise haben sich in 2016 mehr als verdoppelt, da insbesondere die Nachfrage nach Akkus für Elektroautos rasant ansteigt.

Neben dem Mengenproblem stellen sich bei Kobalt aber auch ethische Fragen. Denn Kobalt und Nickel sind beides giftige Schwermetalle. Kobalt wird zudem in Ländern abgebaut, in denen an Bodenschätzen häufig Raubbau betrieben wird und sich hieraus auch kriegerische Konflikte entwickeln. Während das in Europa verwendete Kobalt hingegen aus Kanada oder Australien kommt, so befindet sich ein Großteil der Produktion auch im Kongo.

Eine nachhaltigere Alternative stellen Lithium-Eisenphosphat-Stromspeicher dar, da Lithium-Eisenphosphat ein Batteriematerial ist, das in seiner chemischen Zusammensetzung auch als natürliches Mineral vorkommt.

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