Manganreiche Batterien als effiziente Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie?

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Manganreiche Batterien als effiziente Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie?

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Autor: Maximilian Geilen

Veröffentlicht am: 19.03.2021

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Anfang dieser Woche stellte VW im Rahmen seiner Zukunftsplanung für die hauseigene Elektromobilität zahlreiche Entwicklungen im Bereich der Batterietechnik vor. Darunter fiel auch, dass künftig manganreiche Batteriezellen auf dem Volumenmarkt Anwendung finden sollen. Ein Ansatz der deswegen überrascht, da in letzter Zeit vor allem hohe Nickelanteile als Mittel der Wahl bei der Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batteriezellen in Erscheinung traten. Die Frage ist also, welche Vorteile bringt der hohe Mangananteil in den Batterien?

Schon Mitte des letzten Jahres veröffentlichte das US-Amerikanische Argonne National Laboratory eine Einheit des U.S. Department of Energy (DOE) einen Bericht, in dem die Vorteile von Mangan in Lithium-Ionen-Batterien beleuchtet wurden. Größter Vorteil ist, dass das Metall eines der am häufigsten vorkommenden auf der Erde ist. Da das Element daher vergleichsweise einfach verfügbar ist, liegt der Rohstoffpreis von Mangan deutlich unter dem von Nickel, welches seinerseits erheblich günstiger als Kobalt ist. Alle drei Metalle wiederum sind zentraler Bestandteil der weit verbreiteten NMC-Zellchemie der Kathode einer Lithium-Ionen-Batteriezelle.

Schon im letzten Jahr ergab sich für die Forscher des Argonne National Laboratory aufgrund der sichtbaren Vorteile in Verbindung mit den Rohstoffkosten daher die Gelegenheit, durch erheblich aufgestockte Forschungsmittel, gezielt die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batteriezellen mit hohen Mangananteilen voranzutreiben. Ziel ist es Batterien zu entwickeln, die zum einen solide Leistungen erbringen und zum anderen dabei deutlich günstiger werden als aktuelle Generationen.

Neben potentiell deutlich niedrigeren Batteriekosten, können manganreiche Batteriezellen auch durch die chemischen Eigenschaften von Mangan überzeugen. Das vor allem weil Mangan, im Vergleich zu Nickel und Kobalt, toxikologisch betrachtet ein relativ unbedenklicher Batterierohstoff ist. Erst bei der Aufnahme hoher Konzentration von Manganstäuben wirkt das Element im menschlichen Körper toxisch. Nickel und Kobalt sind hier deutlich gefährlicher bewertet.

Was hindert die Technologie noch am Durchbruch?

Als größte Herausforderung bei Batteriezellen mit hohen Mangananteilen hat sich die Stabilität der Kathode gezeigt. Diese ist in Versuchen weniger beständig als bei Mischungsverhältnissen mit weniger Mangan Anteil in einer NMC-Zelle. Das wiederum reduziert die Zyklenbeständigkeit der Batteriezelle und somit die Langlebigkeit der Batterie-Produkte.

Sollte es jedoch gelingen, wie es bei VW wohl schon zeitnah der Fall zu sein scheint, die Lithium-Ionen-Batterien mit hohen Mangananteilen in Serie zu produzieren, ohne das die Kathoden basierten Probleme noch ins Gewicht fallen würden, so wird dieser Zelltyp aufgrund des günstigen Aufbaus auch als gut geeigneter Kandidat für stationäre Batterieenergiespeicher gesehen.

Es wird spannend zu sehen bleiben, in wieweit in Zukunft mehr von der manganreichen Batteriezelle zu hören sein wird.
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Quellen:

https://www.anl.gov/article/researchers-eye-manganese-as-key-to-safer-cheaper-lithiumion-batteries

https://www.volkswagenag.com/presence/investorrelation/publications/presentations/2021/03/2021-03-15_PowerDayVWGroup.pdf

https://de.statista.com/statistik/daten/studie/260427/umfrage/durchschnittspreise-ausgewaehlter-mineralischer-rohstoffe/

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03702k#!divAbstract
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