In den letzten Monaten wurden uns häufig Fragen gestellt, ob NCM (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid) das beste Material für die Verwendung als Kathodenmaterial für unsere Batterien ist.
Wir sahen Fragen zu Leistung, Sicherheit und Nachhaltigkeit. Auch wurden uns Empfehlungen Dritter zugetragen, eher LFP (Lithium-Eisenphosphat) für Privat-Anwender und auch für gewerbliche Batterie-Lösungen zu verwenden. In diesem Artikel möchten wir erklären, warum NCM das richtige Kathodenmaterial für LG Energy Solution-Batterien ist und warum LFP-basierte Batterien gegenüber NCM-Batterien nicht bevorzugt werden sollten. Wir erklären, weshalb unsere NCM-Batterietechnologie langlebiger, leichter, besser zu handhaben und umweltfreundlicher ist.
Die folgende Themen werden in diesem Artikel abgedeckt:
- NCM und LFP
- Trend im Li-Ionen-Batteriemarkt
- NCM versus LFP – Ein Vergleich
- Energiebedarf der Produktion: NCM-Batterien versus LFP-Batterien
- Vorteile von LG Energy Solution’s NCM-Technologie
- Zusammenfassung
NCM und LFP
Eine Li-Ionen-Zelle ist aus den folgenden Hauptkomponenten aufgebaut: Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator.
Der Batterietyp wird normalerweise gemäß der verwendeten Kathodenmaterialien als NCM-Batterie oder LFP-Batterie bezeichnet.
NCM ist durch die Bestandteile Nickel, Kobalt und Mangan und natürlich Lithium charakterisiert, während LFP die Bestandteile Eisen und Phosphat aufweist.
Entwicklung des Li-Ionen Batteriemarktes
NCM-Batterien sind aufgrund ihrer gleichmäßig hohen Qualität und ihrer hohen Energiedichte die am weitesten verbreitete Li-Technologie in der gesamten Batterieindustrie.
Innerhalb des Weltbatteriemarktes wächst der Anteil der NCM-Batterie-Produktionskapazität stetig. Laut „Bloomberg New Energy Finance“ macht die Produktionskapazität von NCM-Akkus aktuell 69% der gesamten Produktionskapazität von Li-Ionen-Akkus aus.
Im Elektrofahrzeugbereich der Automobilindustrie nimmt die Akzeptanzrate von LFP-Batterien kontinuierlich ab, während die Akzeptanzrate von NCM-Batterien stetig zunimmt. Daher wird erwartet, dass der Anteil von NCM-Batterien von 53% im Jahr 2019 auf 64% im Jahr 2025 zunimmt.
NCM versus LFP – Ein Vergleich
Lithium-Diffusionskoeffizient, Elektronen- beweglichkeit
Die NCM-Batterie weist im Vergleich zur LFP-Batterie eine höhere Nennleistung und Energiedichte auf, da sie eine höhere Lithiumdiffusionsrate und Elektronenmobilität aufweist.
Während sich die Lithiumionen von NCM in zwei verschiedene Richtungen bewegen können, können sich die Lithiumionen im LFP nur in eine Richtung bewegen.
Infolgedessen ist der Lithium-Diffusionskoeffizient von NCM laut einer Zeitschrift, die im Jahr 20101) von Wissenschaftlern der Fakultät für Maschinenbau der Universität von Michigan veröffentlicht wurde, 10.000-mal schneller als der von LFP. Im Falle der Elektronenmobilität ist NCM 1000-mal schneller als LFP.
Da die Mobilität von Lithium als auch die der Elektronen höher ist, kann eine solche Batterie eine höhere Nennleistung und Energiedichte erzielen.
Hygroskopie
Da LFP leichter Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt als NCM, erfordert LFP während des Produktionsprozesses eine strenge Feuchtigkeitskontrolle. Wenn die Luftfeuchtigkeit im Produktionsprozeß nicht gut geregelt ist, steigt der Wassergehalt in der LFP-Batterie an, was zu Nebenreaktionen während des Lade- und Entladevorgangs führt. Diese Nebenreaktionen führen zu einem schnelleren Leistungsabfall der Batterie. Darüber hinaus hindert Wasser die Batterie an der Bildung einer Festen Elektrolyt-Grenzflächenschicht (SEI), die wiederum zur schnelleren Abnahme der Leistung ihrer Batterie beiträgt.
Laut einem im Jahr 2013 2) veröffentlichten Artikel bleibt der Wassergehalt in der NCM-Elektrode unter 750 ppm, wenn LFP- und NCM-Elektroden einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40% ausgesetzt sind, während der Wassergehalt in der LFP-Elektrode innerhalb einer Stunde auf mehr als das Doppelte ansteigt.
Der Artikel vergleicht auch, wie der unterschiedliche Wassergehalt in einer Batterie die Kapazität der Batterie beeinflusst. Wenn der Wassergehalt der Batterie von 1300 ppm auf 1800 ppm (plus 38%) steigt, sinkt die Batteriekapazität um ca. 10%.
Ein erhöhter Wassergehalt kann daher als Zunahme einer Verunreinigung interpretiert werden, die zu einem höheren Widerstand führt – was auch die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Zellen anschwellen (Elektrolyt-Verdampfung).
Lade- und Entladekurven
Vergleichen wir nun die Lade-Entlade-Kurven von NCM- und LFP-Batterien: Der Ladezustand (State-of-Charge, SOC) von NCM-Batterien zeigt eine deutlich lineare Abhängigkeit von der Zellspannung. Auf den Ladezustand der LFP-Batterie kann aber aufgrund der äußerst flachen Lade-Entlade-Kurve nicht aus der Zellspannung geschlossen werden. Infolgedessen ist für NCM-Batterien eine genaue SOC-Bestimmung durch eine Spannungsmessung möglich, während die genaue Bestimmung des SOC für LFP-Batterien sehr schwierig ist.
Eine interne Analyse von LG Energy Solution ergab, dass die Genauigkeit der SOC-Bestimmung für die NCM-Batterie bei 1 bis 2% liegt, während dies bei der LFP-Batterie um 10% abweicht. Wenn eine genaue SOC-Berechnung nicht möglich ist, ist die Wahrscheinlichkeit, die Batterie außerhalb des gewünschten Bereichs zu betreiben, höher, was zu einer deutlich höheren Leistungsverschlechterung führen kann.
Wie in der obigen Grafik gezeigt, liegt die obere Spannungsgrenze für NCM bei 4,2 V, während LFP bei 3,5 V liegt. Wenn die Kapazitäten der Batterien konstant bleiben, wird der Energieinhalt durch die Spannung definiert, die die NCM-Batterie im Vergleich zu einer LFP-Batterie zu einer Batterie mit höherer Energie macht.
Entladekapazität und Restkapazität
Eine NCM-Zelle mit einer dünneren Kathode kann dieselbe Entladekapazität aufweisen wie eine LFP-Batterie mit einer dickeren Kathode – sie speichert also bei identischem Gewicht und Volumen deutlich mehr Energie. Darüber hinaus weist die NCM-Batterie bei gleicher Anzahl von Zyklen eine höhere Kapazitätserhaltung (bzw. Restkapazität) auf als die LFP-Batterie.
Basierend auf einer Veröffentlichung aus dem Jahr 20123) erfordert dieselbe Entladekapazität von 1,7 mA / cm2 eine 1,5-mal dickere Elektrode (77 μm) für LFP-Batterien im Vergleich zu NCM-Batterien (50 μm). Dies bedeutet, dass eine LFP-Batterie mehr Kathodenmaterial als eine NCM-Batterie verwendet, um die gleiche Batteriekapazität zu erzielen. Daher erzeugen LFP-Batterien mit mehr Kathodenmasse, die auf die Elektroden-Ableiter aufgebracht wird, am Ende ihrer Lebensdauer mehr Material, das recycelt werden muss – was eine stärkere, negative Auswirkung auf die Umwelt hat.
Beim Vergleich von NCM- und LFP-Batterien mit der gleichen Entladekapazität (2,6 mA / cm2) nach 500 Zyklen behält die NCM-Batterie 15% mehr Kapazität (80% Restkapazität ) bei als die LFP-Batterie (65% Restkapazität). Kurz: Sie hält länger.
Eine weitere Veröffentlichung aus dem Jahr 20144) legt dar, dass NCM-Batterien im Vergleich zu LFP-Batterien eine längere Betriebsdauer aufweisen können, bevor sie die gleiche Restkapazität (in % ihrer ursprünglichen Kapazität) erreichen.
Der Artikel zeigt, dass eine LFP-Batterie nach 377 Zyklen 80% ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht, während eine NCM-Batterie nach 455 Zyklen 80% ihrer ursprünglichen Kapazität beibehält. Während eine NCM-Batterie nach 700 Zyklen ~ 75% ihrer ursprünglichen Kapazität beibehält, erreicht eine LFP-Batterie nach 700 Zyklen ~ 20% ihrer ursprünglichen Kapazität.
Das Argument einiger LFP-Hersteller, dass LFP-Batterien eine höhere Kapazität behalten als NCM-Batterien, stimmt also nicht mit den Ergebnissen aus zwei oben genannten Forschungsberichte überein.
Innenwiderstand
Bei der Überwachung des Batteriewiderstands während der Zyklisierung behält eine NCM-Batterie im Vergleich zu einer LFP-Batterie länger einen niedrigeren Widerstand bei. Ein niedrigerer Widerstand ermöglicht es den Batterien, entsprechend ihrer geplanten Leistungsparameter (z.B. Kapazität) mit geringerem Verlust zu arbeiten.
Wenn Sie sich das 2014 veröffentlichte Papier ansehen4), steigt der Widerstand der LFP-Batterie kurz nach 500 Zyklen auf 3 Ohm, während der Widerstand der NCM-Batterie auch nach 1.000 Zyklen unter 3 Ohm bleibt.
Die Leistungverschlechterung einer Batterie nimmt mit zunehmendem Widerstand deutlich zu. NCM-Batterien weisen daher mit fortschreitenden Zyklen eine bessere Leistung als LFP-Batterie auf.
Energiebedarf der Produktion: NCM-Batterien versus LFP-Batterien
Eine NCM-Batterie benötigt während der Produktion bei vergleichbarem Gewicht möglicherweise mehr Energie. Da jedoch die Kapazität einer Batterie die relevante Eigenschaft ist, muss die Energie pro erzeugter kWh Speicherkapazität verglichen werden: Eine NCM-Batterie benötigt bezogen auf Ihre Kapazität während ihres Herstellungsprozesses eine sehr ähnliche Energiemenge wie eine LFP-Batterie.
Wenn Sie sich den Artikel ansehen, der von den Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory aus dem Jahr 2015 5) veröffentlicht wurde, um eine 28 kWh EV-Batterie herzustellen, benötigt die LFP-Batterie 100 Zellen, während die NCM nur 96 Zellen benötigt. Infolgedessen benötigt eine LFP-Batterie eine größere Menge an Batteriezellen, um die gleiche Kapazität einer EV-Batterie wie eine NCM-Batterie zu produzieren, was am Ende ihrer Lebensdauer zu mehr Abfall führt.
Einige Hersteller von LFP-Batterien bestehen darauf, dass eine LFP-Batterie im Vergleich zu einer NCM-Batterie weniger Energie benötigt, was die Umwelt weniger belastet. Beim Vergleich von Batterien mit gleicher Kapazität variiert die zur Herstellung der LFP- und NCM-Batterien erforderliche Energie jedoch nicht wesentlich. Wir möchten hervorheben, dass LFP mehr Zellen benötigt als NCM, um dieselbe kWh Batterie zu produzieren, und daher produzieren LFP-Hersteller mehr Abfall für die Umwelt. Da LFP zu großen Teilen aus einem weniger werthaltigen Metall (Eisen) besteht, zögern Recyclingunternehmen außerdem, LFP-Batterien zu sammeln und zu recyceln, da eine wirtschaftliche Rentabilität des Recycling-Verfahrens nur schwer erzielbar ist.
Vorteile von LG Energy Solution’s NCM-Technologie
Patentsituation
LG Energy Solution produziert NCM ESS-Batterien. LG Energy Solution verfügt über die branchenweit größte Anzahl an Patenten in Bezug auf Batterietechnologien (Stand Mai 2019). Im Allgemeinen hat die NCM-Technologie im Vergleich zu anderen Technologien eine deutlich höhere Forschungsaufmerksamkeit erhalten und wird besser verstanden.
Produktionsprozess „Lamination & Stacking“ versus Winding
LG Energy Solution verwendet das Laminierungs- und Stapelverfahren („Lamination & Stacking“) zur Herstellung seiner Batterien. Beim diesem Prozeß werden Kathoden, Anoden und Separatoren vertikal gestapelt, um eine Zelle zusammenzusetzen. Demgegenüber rollt der Wicklungsprozess anderer Hersteller Kathoden, Anoden und Separatoren in einer ovalen Form, um eine prismatische Zelle zusammenzubauen. Der Laminierungs- und Stapelprozess kann eine höhere Elektrodenbelastung durch effektive Raumnutzung – weniger Totraum in einer Batteriezelle – und höhere Dimensionsstabilität erzielen.
Innerhalb des Elektrodenstapels fügt LG Energy Solution Separatoren mit der proprietären „SRS“ -Technologie ein – das bedeutet, dass die Separatoren mit Nanopartikeln beschichtet sind und eine höhere Durchstoßfestigkeit aufweisen.
Sicherheit
Eine einfache Aussage „NCM-Batterien sind sicherer als LFP-Batterien (oder umgekehrt)“ ist nicht sinnvoll, da die Frage der Batteriesicherheit viele Aspekte wie Fertigungsqualität, Materialreinheit, Qualität des elektrischen Kontakte, Umweltfaktoren, sowie einen angemessenen Batterieschutz (durch das BMS), sowie weitere Gesichtspunkte umfasst. Die Frage der Sicherheit kann nicht auf das Kathodenmaterial reduziert werden. Das ist der Grund, warum LG Energy Solution diese Angelegenheit ganzheitlich betrachtet und höchste Qualität in Bezug auf alle Fertigungs- und Betriebsaspekte sicherstellt. Die größten internationalen Autohersteller haben LG Energy Solution-Batterien unter den härtesten Belastungsbedingungen getestet und LG Energy Solution-Batterien als sicher für die Verwendung in ihren Automobilprodukten akzeptiert.
Die Sicherheit von ESS-Produkten für Privathaushalte von LG Energy Solution wird international durch die Erlangung von sechs verschiedenen Sicherheitszertifikaten belegt:
1) EMC (Electromagnetische Verträglichkeit)
2) IEC 62619 (Betriebssicherheit : Zelle, Modul, System)
3) UL1642 (Standard für Lithium Batteries)
4) UL1973 (Standard für Stationär-Batteries , Fahrzeugshilfsenergie und Elektrisches Licht in Eisenbahnanwendungen)
5) TUV JIS (Japanischer Standard for ESS-Batterien
6) UN38.3 (Transport Tests for Lithium-Ionen Batterien durch die UN)
Verantwortliches Rohstoff-Sourcing
LG Energy Solution überwacht die Wertschöpfungskette der verwendeten Rohstoffe, um eine verantwortungsvolle Beschaffung zu gewährleisten. LG Energy Solution unterstreicht insbesondere die Bedeutung eines verantwortungsvollen Umgangs mit Kobalt in seinen NCM-Batterien.
In erster Linie hält LG Energy Solution die Wertschöpfungskette seines Kobalts transparent. LG Energy Solution überwacht den gesamten Beschaffungsprozess von Kobalt und führt ein Audit seiner Lieferanten durch unabhängige Institutionen durch, um die Transparenz zu erhöhen.
Als zweiten Schritt ist LG Energy Solution bestrebt, den Kobaltgehalt seiner Batterien zu reduzieren. Bisher ist es gelungen, den Gewichtsanteil von Kobalt in einer Batterie um 35% zu reduzieren.
Darüber hinaus arbeitet LG Energy Solution daran, die Kinderarbeit in Kobaltminen zu beenden. LG Energy Solution hat sich mit einer Reihe von NGOs zusammengetan, um sich besonders auf die Demokratische Republik Kongo zu konzentrieren.
Es gibt absolut keine Entschuldigung dafür, daß Personen unter dem gesetzlichen Arbeitsalter Teil unserer Lieferkette sind.
Wir wissen, dass der handwerkliche Abbau von Kobalt echte Herausforderungen mit sich bringt. Doch wäre die Einstellung der Förderung nicht zuletzt schädlich für Gemeinden, deren Einkommen auf diesem Abbau basiert.
Zusätzlich zu der Zertifizierung der eigenen Quellen arbeitet LG Energy Solution mit den NGOs daran, Kinderarbeit und Menschenrechtsverletzungen in den Bergbaugemeinden vollständig zu beenden – auch bei den von LG Energy Solution nicht verwendeten und zertifizierten Quellen.
Einige Hersteller von LFP-Batterien bestehen darauf, dass in NCM verwendetes Kobalt durch die Ausbeutung von Kinderarbeit zur Gewinnung von Kobalt unangemessen beschafft wird. LG Energy Solution arbeitet jedoch mit unabhängigen dritten Parteien wie RCI, RCs Global und Anderen zusammen, um die Transparenz der Kobalt-Wertschöpfungskette zu überwachen und zu verbessern und eine verantwortungsvolle Beschaffung zu gewährleisten.
Green Company
LG Energy Solution hat an seinem Produktionsstandort in Ochang eine PV-Anlage mit 3 MWh installiert, die jährlich 4,2 GWh erneuerbare Energie erzeugt. Durch die Erzeugung sauberer Energie bemüht sich LG Energy Solution, auch energetisch ein „grünes Unternehmen“ zu werden.
LG Energy Solution befasst sich auch mit dem Recycling von Batterien, die am Ende ihrer Lebensdauer entsorgt werden müssen. Um die Umweltbelastung durch unser Produkt so gering wie möglich zu halten, bemüht sich LG Energy Solution, durch die Zusammenarbeit mit verschiedenen örtlichen Recyclingunternehmen einen geschlossenen Kreislauf zu bilden.
Durch die Beauftragung ausgewählter Recyclingunternehmen gewährleistet LG Energy Solution das nachhaltigste Recycling für die verwendeten Batterien. Lokale Recyclingunternehmen verarbeiten gebrauchte LG Energy Solution-Batterien und gewinnen Nickel, Kobalt und Mangan im Rahmen ihres Recyclingprozesses zurück. Dies ist wichtig, um einen geschlossenen Materialkreislauf zu gewährleisten und die Verschwendung seltener Materialien zu vermeiden.
Zusammenfassung
Abschließend möchten wir zusammenfassen, dass die NCM-Batterietechnologie signifikante Vorteile hat und als erste Wahl in der Welt der wiederaufladbaren Batterien anzusehen ist. Es gibt keinen nachvollziehbaren Grund dafür, NCM-Materialien zu vermeiden. Es gibt jedoch die hier ausgeführten Gründe, sich für diese Technologie zu entscheiden:
- Die NCM-Technologie ermöglicht die höchste Energiespeicherdichte für wiederaufladbare Batterien
- Industrielle NCM-Batterien haben im Vergleich zu anderen Kathodenmaterialien eine längere Lebensdauer
- Die zur Herstellung von NCM-Batterien benötigte Energie ist im Vergleich zu LFP-Batterien nicht wesentlich höher.
- Die Rohstoffbeschaffung für die Herstellung von LG Energy Solution-Batterien wird sorgfältig geprüft und nachverfolgt, um die Verwendung von Materialien aus fragwürdigen Quellen zu vermeiden. LG Energy Solution kämpft aktiv gegen Kinderarbeit.
- Durch enge Beziehungen zu Recyclingunternehmen arbeitet LG Energy Solution an einem geschlossenen Recyclingprozess für seine Batterien.
Ein Video, in welchem die Vorzüge unserer Technologie zusammengefasst werden, finden Sie hier:
Wir erlauben uns, zusätzlich auf die fundierte Diskussion der Technologie in einem Podcast des pv magazine hinzuweisen:
Weitere Hintergrundinformationen finden Sie in diesem Artikel, den Sie bei Bedarf auch gern an Kunden und weitere, interessierte Parteien weitergeben dürfen.
Quellennachweise
1) M. Park et al., A review of conduction phenomena in Li-ion batteries, Journal of Power Sources, 7904 (2010) ↩
2) U. Langklotz et al., Water Uptake of Tape-Cast Cathodes for Lithium Ion Batteries, Journal of Ceramic Science and Technology, Journal of Ceramic Science and Technology, 69-29 (2013) ↩
3) H. Zheng et al., A comprehensive understanding of electrode thickness effects on the electrochemical performances of Li-ion battery cathodes, Electrochimica Acta 71, 258-265 (2012) ↩
4) H. Popp et al., Lifetime analysis of four different lithium ion batteries for (plug – in) electric vehicle, Transport Research Arena (2014) ↩
5) J. B. Dunn et al., The significance of Li-ion batteries in electric vehicle life-cycle energy and emissions and recycling’s role in its reduction, Energy Environ. Sci. 158 (2015) ↩
