Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxide - Lithium nickel cobalt aluminium oxides

Die Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxide (NCA) sind eine Stoffgruppe aus Metalloxiden . Einige von ihnen sind aufgrund ihrer Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien wichtig . NCAs werden als aktives Material am Pluspol (das ist die Kathode, wenn die Batterie entladen ist) verwendet. NCAs sind Mischoxide aus den Kationen der chemischen Elemente Lithium , Nickel , Kobalt und Aluminium . Die wichtigsten Vertreter haben die allgemeine Formel LiNi x Co y Al z O 2 mit x  +  y  +  z  = 1. Im Falle der NCA bestehend aus derzeit auf dem Markt befindlichen Batterien, die auch in Elektroautos und Elektrogeräten verwendet werden , x  ≈ 0,8, und die Spannung dieser Batterien liegt zwischen 3,6 V und 4,0 V, bei einer Nennspannung von 3,6 V oder 3,7 V. Eine Version der derzeit im Jahr 2019 verwendeten Oxide ist LiNi 0,84 Co 0,12 Al 0,04 O 2 .

NCA-Batterien: Hersteller und Verwendung

Der wichtigste Hersteller von NCA-Batterien ist Panasonic bzw. Panasonics Kooperationspartner Tesla , da Tesla NCA als aktives Material in den Traktionsbatterien seiner Automodelle verwendet. Im Tesla Model 3 und Tesla Model X wird LiNi 0,84 Co 0,12 Al 0,04 O 2 verwendet. Bis auf wenige Ausnahmen verwenden aktuelle Elektroautos ab 2019 entweder NCA oder alternativ Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide (NMC). Neben der Verwendung in Elektroautos wird NCA auch in Batterien für elektronische Geräte verwendet, hauptsächlich von Panasonic , Sony und Samsung . Akku-Staubsauger sind ebenfalls mit NCA-Batterien ausgestattet.

Hersteller von NCA

Die Hauptproduzenten von NCA und ihre Marktanteile im Jahr 2015 waren Sumitomo Metal Mining mit 58 %, Toda Kogyo (BASF) mit 16 %, Nihon Kagaku Sangyo mit 13 % und Ecopro mit 5 %. Sumitomo beliefert Tesla und Panasonic und konnte 2014 850 Tonnen NCA pro Monat produzieren. 2016 erhöhte Sumitomo seine monatliche Produktionskapazität auf 2550 Tonnen und 2018 auf 4550 Tonnen. In China, im Kreis Tongren in der Provinz Qinghai , befindet sich seit 2019 eine Anlage im Bau, die zunächst 1500 Tonnen NCA pro Monat produzieren soll.

Eigenschaften von NCA

Die nutzbare Ladungsspeicherkapazität von NCA beträgt etwa 180 bis 200 mAh/g. Dies liegt deutlich unter den theoretischen Werten; für LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 sind dies 279 mAh/g. Allerdings ist die Kapazität von NCA deutlich höher als die von alternativen Materialien wie Lithium-Kobalt-Oxid LiCoO 2 mit 148 mAh/g, Lithium-Eisen-Phosphat LiFePO 4 mit 165 mAh/g und NMC 333 LiNi 0,33 Mn 0,33 Co 0 ,33 O 2 mit 170 mAh/g. NCA gehört wie LiCoO 2 und NMC zu den Kathodenmaterialien mit Schichtaufbau. Durch die hohe Spannung ermöglicht NCA Batterien mit hoher Energiedichte. Ein weiterer Vorteil von NCA ist seine hervorragende Schnellladefähigkeit. Nachteilig sind die hohen Kosten und die begrenzten Ressourcen an Kobalt und Nickel.

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

Kristallstruktur von Nickel(IV)-oxid

Lithium-Nickeloxid LiNiO 2 , das eng mit NCA verwandt ist, oder Nickeloxid NiO 2 selbst können noch nicht als Batteriematerial verwendet werden, da sie mechanisch instabil sind, einen schnellen Kapazitätsverlust zeigen und Sicherheitsprobleme aufweisen.

Nickelreiche NCA: Vorteile und Grenzen

NCAs LiNi x Co y Al z O 2 mit x ≥ 0,8 werden als nickelreich bezeichnet; diese Verbindungen sind die wichtigsten Varianten der Substanzklasse. Die nickelreichen Varianten sind zudem kobaltarm und haben daher einen Kostenvorteil, da Kobalt relativ teuer ist. Außerdem steigt mit dem Nickelgehalt auch die Spannung und damit die Energie, die in der Batterie gespeichert werden kann. Mit steigendem Nickelgehalt steigt jedoch auch die Gefahr eines thermischen Durchschlags und einer vorzeitigen Alterung der Batterie. Wenn eine typische NCA-Batterie auf 180 °C erhitzt wird, wird sie thermisch entladen . Wenn der Akku zuvor überladen war, kann es sogar bei 65 °C zu einem thermischen Durchgehen kommen. Die Aluminiumionen in NCA erhöhen die Stabilität und Sicherheit, reduzieren jedoch die Kapazität, da sie selbst nicht an Oxidation und Reduktion teilnehmen.

Modifikationen des Materials

Um NCA widerstandsfähiger zu machen, insbesondere bei Batterien, die bei Temperaturen über 50 °C betrieben werden müssen, wird das NCA-Aktivmaterial normalerweise beschichtet. Die in der Forschung demonstrierten Beschichtungen können Fluoride wie Aluminiumfluorid AlF 3 , kristalline Oxide (zB CoO 2 , TiO 2 , NMC) oder glasige Oxide ( Siliziumdioxid SiO 2 ) oder Phosphate wie FePO 4 umfassen .

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