Erste Heimspeicher mit LTO-Anoden leisten bis zu 20.000 Zyklen

LTO-Zellen (Lithium-Titanat-Oxid-Zellen) sind eine neue Weiterentwicklung der herkömmlichen Lithium-Ionen-Technologie bei der die herkömmliche Grafitanode durch eine Lithium-Titanat-Anode ersetzt wird. Die so resultierende stärkere chemische Bindung des Lithiums verhindert die Bildung einer Oberflächenschicht auf der Elektrode, so dass die Alterung verlangsamt und die Anzahl der Ladezyklen deutlich erhöht wird.

Zudem zeichnen sich LTO-Zellen auch für ihre Schnellladefähigkeit aus. In weniger als zehn Minuten können sie nahezu vollständig aufgeladen werden. Außerdem überzeugt die Technologie durch ihre hohe Zyklenfestigkeit und eine Lebensdauer von bis zu 20.000 Zyklen.

Während Kälte bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus die elektrochemischen Prozesse verlangsamt und die Akkus sich wie bei Handys innerhalb kürzester Zeit entladen, liefern Lithium-Titanat-Speicher wegen der speziellen Zusammensetzung auch bei Temperaturen bis -30 Grad Celsius zuverlässig Energie.

Weil das Titanat nicht mit den Oxiden der negativen Elektrode reagieren kann, wird auch ein thermisches Durchgehen selbst bei mechanischen Schäden verhindert, wodurch die Lithium-Titanat-Zellen weder brennbar noch entflammbar sind. LTO-Zellen gelten daher als besonders sicher.

Diese ganzen Vorteile hat nun BlueSky Energy in seinen stationären Stromspeichern Vigos vereint. Auf der Suche nach einer schnell aufladbaren Alternative zur Salzwassertechnologie hat sich BlueSky Energy für LTO-Zellen entschieden.

„Unsere neuen Vigos-Speicher sind die optimale Lösung für private und gewerbliche Anwendungen, die in kurzer Zeit viel Energie benötigen und für die ein besonders breites Temperaturfenster erforderlich ist“, erklärt Geschäftsführer Thomas Krausse.

„Wir nennen unsere Technologie Carbocap, weil sie den CO₂-Ausstoß besonders nachhaltig reduziert“, sagt Krausse.

Die Bezeichnung Carbocap Technology beschreibt die CO₂-Reduktion durch das Speichersystem. Die oben genannten Vorteile machen die Technologie durch ihre Langlebigkeit besonders nachhaltig. Der CO₂-Ausstoß (engl. Carbon) wird gekappt, so die namensgebende Herleitung der Carbocap Technology.

LTO-Zellen sind zwar etwas teurer als herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen. Durch die lange Lebensdauer - dreimal so lang wie andere Batterietechnologien – relativieren sich die Anschaffungskosten aber schnell. Weitere Kosten lassen sich bei Outdoorinstallationen einsparen, weil man auf Heizungen und Klimageräte verzichten kann.

Außerdem kompensiert BlueSky die vergleichsweise höheren Einkaufspreise der Zellen durch das Nutzen von langjährigen Erfahrungswerten und Synergien mit dem Greenrock-Salzwasserbatterie-System.

Neben der im November vorgestellten Vigos-Allwetterbatterie bringt der Stromspeicher-Hersteller BlueSky Energy im ersten Quartal 2021 einen modular erweiterbaren Vigos-Indoorspeicher auf den Markt. Er wird zwar nicht in einem wetterfesten Outdoor-Gehäuse geliefert, lässt sich dank der LTO-Zellen aber hervorragend in kalten Kellerräumen installieren.

Für Gewerbespeicher-Kunden will Krausse künftig vermehrt hybride Lösungen anbieten: „Die Vigos-Speicher lassen sich hervorragend mit den Greenrock-Systemen kombinieren. Wir bieten unseren Kunden ein breites Portfolio aus einer Hand, mit dem sie die unterschiedlichsten Anwendungen realisieren können.“

Während BlueSky die Outdoorvariante im IP45-Gehäuse mit Kapazitäten von 18 bis 96 Kilowattstunden anbietet, wird der anschlussfertige Vigos-Indoor-Speicher mit Kapazitäten von sechs bis 20 Kilowattstunden erhältlich sein.

LTO-Zellen lastet jedoch der Nachteil einer geringeren Energiedichte an. Das ist bei Heim- oder Gewerbespeichern häufig unkritisch. Jedoch führen sie in mobilen Anwendungen zu erheblichen Gewichtsproblemen. Daher sind auf LTO basierende Traktionsbatterien eher in Schienentriebzügen im Einsatz, die fast rund um die Uhr bis zu 30 Jahre lang bei jedem Wetter, egal ob Hitze oder Kälte, im Einsatz sind. Der Anspruch an ihre Zuverlässigkeit und Qualität ist damit sehr hoch.

Eine vielversprechende Weiterentwicklung – das Anodenmaterial Lithium-Lanthan-Titanat mit Perowskit-Kristallstruktur (LLTO) für künftige Hochleistungsbatterien - haben Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Jilin-Universität in Changchun/China 2020 untersucht.

LLTO-Anoden weisen im Vergleich zu kommerzialisierten LTO-Anoden ein niedrigeres Elektrodenpotenzial auf, wodurch sich eine höhere Zellspannung und eine höhere Kapazität erreichen lassen.

„Zellspannung und Speicherkapazität bestimmen letztendlich die Energiedichte einer Batterie. Künftig könnten LLTO-Anoden besonders sichere und langlebige Hochleistungszellen ermöglichen“, erklärt Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) des KIT.

Neben Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer entscheidet auch die Laderate über die Eignung einer Batterie für anspruchsvolle Anwendungen. Grundsätzlich hängen maximaler Entladestrom und minimale Ladezeit vom Ionen- und Elektronentransport im Festkörper und an den Grenzflächen zwischen Elektroden- und Elektrolytmaterialien ab. Um die Laderate zu verbessern, ist es üblich, die Partikelgröße des Elektrodenmaterials von der Mikrometer- auf die Nanometerskala zu reduzieren.

Wie die in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie "Lithium lanthanum titanate perovskite as an anode for lithium ion batteries" der Forscher des KIT und ihrer Kooperationspartner zeigt, ermöglichen bei perowskitstrukturiertem LLTO aber selbst Partikel von einigen Mikrometern eine höhere Leistungsdichte und eine bessere Laderate als LTO-Nanopartikel.

Dies führt das Forscherteam auf sogenannte pseudokapazitive Eigenschaften von LLTO zurück: An diesem Anodenmaterial lagern sich nicht nur einzelne Elektronen an, sondern ladungstragende Ionen, die über schwache Kräfte gebunden sind und reversibel Ladungen an die Anode übertragen können.

„Dank der größeren Partikel ermöglicht LLTO prinzipiell einfachere und kostengünstigere Verfahren der Elektrodenherstellung“, erläutert Ehrenberg.