LTO und LSP - die Lithiumspeicher der nahen Zukunft?

[PowerTower]

Hallo zusammen,

da ich finde, dass es die letzten zwei Jahre recht ruhig geworden ist um unser geliebtes Antriebsgold, möchte ich gern mit euch eine kleine Diskussionsrunde um die nächsten Entwicklungsstufen rund um Lithium führen. Denn ich denke, auf absehbare Zeit wird es keine Alternative geben. Zwar ist mir ein Patent in die Hände gefallen, welches einer Hochtemperatur NaNiCl Batterie ermöglichen soll, statt mit 300°C mit gerade mal 60°C zu funktionieren und damit bedeutend weniger Heizleistung zu benötigen, aber dieses Patent ist von 2005 und seitdem ist nichts neues mehr bekannt geworden. Schade eigentlich, denn ich halte große Stücke auf die ZEBRA Technik. Inwieweit die Firma FIAMM SoNick an so einer Technik arbeitet, ist mir nicht bekannt, aber soweit ich weiß ist das der einzige Hersteller, der sich um dieses Produkt kümmert.

Nach diversen Berichten, Expertenmeinungen und Ergebnissen aus dem Labor, bin ich der Meinung, dass die "nächste Evolutionsstufe" zweigleisig fährt.

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Auf der einen Seite wäre da Lithium-Sulfat (LSP) zu nennen, welches schon seit zwei Jahren als angeblich fertiges Produkt auf der Homepage von Winston sein Unwesen treibt. Doch diese Diskussion gab es damals schon, die Zellen sind nicht lieferbar und befinden sich wohl immer noch im Labor.

Die technischen Daten:

Ladeschlussspannung: 2,3 Volt
Entladeschlussspannung: 1,0 Volt
Leerlaufspannung: ca. 1,7-1,8 Volt
Energiedichte: ca. 190 Wh/kg
maximale Dauerbelastung laden / entladen: 3C
Zyklenfestigkeit: >1.000 Zyklen (100% DOD), >2.000 Zyklen (70% DOD)
Temperaturbereich für Ladung und Entladung: -35°C bis +85°C
Eigensicherheit: unbekannt

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Auf der anderen Seite gibt es Optimierungen der bisherigen Lithiumzellen mit einer Lithium-Titanat-Anode (LTO). Lithium-Titanat soll gegenüber dem für gewöhnlich verwendeten Graphitanoden eine deutlich größere Oberfläche aufweisen und damit die Ladung deutlich schneller aufnehmen und abgeben können. Das heißt die Zellen können deutlich höher belastet werden, ohne mit der Spannung einzubrechen oder Zyklen zu riskieren. Beide Vorteile werden zusätzlich dadurch verursacht, dass sich an der Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt das "Solid Electrolyte Interface" nur bedingt aufbauen kann, was den Innenwiderstand der Zelle reduziert. Quelle: technic-dreams.at

Wenn ich das also richtig verstehe, ist es auch möglich, moderne LFP und LYP Zellen mit LTO als Anodenmaterial zu kombinieren. Toshiba hat bereits eine Zelle veröffentlicht und auch andere Hersteller wie beispielsweise EnerDel scheinen daran zu arbeiten.

Die technischen Daten der Toshiba SCiB Zelle mit LTO Anode:

Ladeschlussspannung: 2,7 Volt
Entladeschlussspannung: 1,5 Volt
Leerlaufspannung: ca. 2,3 Volt
Energiedichte: 90 Wh/kg
maximale Dauerbelastung laden / entladen: 8C
Zyklenfestigkeit: >6.000 Zyklen (85% DOD)
Temperaturbereich für Ladung und Entladung: -30°C bis +55°C
Eigensicherheit: vorhanden

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Wenn man die Zellen vergleicht, so stellt man fest, dass beide Varianten enorme Unterschiede aufweisen und dennoch ihre Daseinsberechtigung haben.

Positiv hervorzuheben ist bei beiden Typen auf jeden Fall die Temperaturtauglichkeit, was unter Umständen den Verzicht auf eine Batterieheizung ermöglicht, ohne dadurch negative Auswirkungen zu haben. Also offensichtlicher Nachteil ist bei beiden Zellen die Zellspannung anzusehen. Wobei man das ja mit der entsprechenden Anzahl an Zellen wieder ausgleichen kann. Und immerhin liegen beide Spannungsniveaus über denen von NiCd und NiMh, die Zelle mit LTO Anode liegt sogar spannungsmäßig über einer Bleizelle.

Während LSP ein offensichtliches Energiebündel ist, glänzt eine LTO Zelle mit herausragender Zyklenfestigkeit und enormer Belastung um die 8C (im Fall der Toshiba Zelle). Wenn es nach mir ginge, würde ich gern eine LFP+LTO Zelle als nächste Generation in mein Auto stecken. Die Frage ist nur, wann wird es serienreife Modelle zu bezahlbaren Preisen geben?

Jetzt seid ihr an der Reihe, was denkt ihr über die Zukunft, wird es in den nächsten Jahren einen Durchbruch dieser beiden Varianten geben, oder erwartet uns vielleicht etwas ganz anderes? Habt ihr vielleicht sogar schon neuere Infos als die meinen?

Fröhliches Diskutieren.

Gruß
Micha

[Guy]

Hallo Micha,

spannende Frage, jedoch nicht so einfach zu beantworten.

Derzeit scheint der Trend eher zu höheren Spannung zu gehen. Bei gleicher Kapazität erhält man damit zwar eine höhere Energiedichte, erkauft sich dies jedoch meistens mit einer geringeren Lebensdauer.

6.000 Zyklen bei 85 Prozent Entladetiefe, bis noch 80 Prozent der Kapazität zur Verfügung stehen, klingt auf den ersten Blick zwar besser als 1.000 Zyklen. Man muss jedoch auch beachten, dass bei den aktuellen Autos 1.000 Zyklen bereits mehr als 100.000 Kilometer entsprechen. Danach ist die Batterie lange nicht defekt, die Kapazität der Batterie beträgt lediglich 80 Prozent der Ursprungskapazität.

Ich glaube deshalb, dass die von dir angesprochenen Toshiba Zellen eher als Netz- oder PV-Speicher eingesetzt werden. Für die Anwendung im Auto bieten sie einfach eine zu geringe Energiedichte.

Für die nächste Generation an Elektrofahrzeugen sehe ich 200 Wh / kg als untere Grenze, bei einer Zyklenfestigkeit von eher unter 1.000 Zyklen.
Tesla setzt setzt auf die neuen Panasonic NCR18650A (245 Wh / kg), Electrovaya hat mit der MN-HP Serie > 200 Wh / kg in der Entwicklung, NEC ist an einer Lithium Nickel Mangan Oxyd Zelle mit 200 Wh / kg dran und die 400 Wh / kg von Envia sind vermutlich noch weit von der Serie entfernt.

Wirklich kaufen kann man diese Zellen natürlich nicht, da führt derzeit wohl kein Weg an Winston/CALB vorbei.

[PowerTower]

Ich sehe das Problem bei den hochgezüchteten Zellen in der Sicherheit. Mir scheint das wird weiterhin mit den "unsicheren" Kathodenmaterialen durchgedrückt. Siehe dieser Tabelle hier: Erklärung bei GAIA, wobei die von dir genannten Materialien nicht vollständig gelistet sind. Des weiteren sind diese nur eingeschränkt frosttauglich, es wird also weiterhin eine Akkutemperierung erforderlich sein. Die Pansonic NCR18650A soll z.B. nur über 10°C geladen und nicht unter -10°C entladen werden. Ohne Heizung wird das nichts, also auch wieder zusätzlicher Aufwand und ein zusätzlicher Energieverbraucher. Es scheint es wird nur die Energiedichte voran getrieben, die anderen Faktoren bleiben unbeachtet. Das finde ich nicht gerade fortschrittlich. Das erinnert mich an die Zeit, als man NiMh Zellen mit Kapazitäten >3.000 mAh im R6 Format angeboten hat. Dann kam sanyo mit der 2.000 mAh eneloop und alle wollten sie haben, weil sie abgesehen von der nominalen Energiedichte nur Vorteile bietet.

Gerade die Sicherheit ist ja ein großer Pluspunkt der LFP Zellen. Aber die haben einen entscheidenden Nachteil, den ich tagtäglich spüre. Ich habe das schon im elweb geschrieben und kopiere es hier einfach mal rein.

"Das ist ein Problem der heutigen Akkugeneration. Man muss riesige Zellen einsetzen, aber nicht weil man die Kapazität irgendwie bräuchte, sondern weil man das aus Gründen der Strombelastung tun muss.

Rein von der Kapazität reichen mir persönlich die 100 Ah völlig aus (reicht für 80-90 km). Nun müsste ich aber größere 160 / 200 Ah Zellen einbauen, die das Auto mal eben 80-100 kg schwerer machen, nur um die Strombelastung in Grenzen zu halten (<2,5C). Das ist doch eigentlich völliger Irrsinn. Abgesehen davon, dass die aktuell verfügbaren Chinazellen mit einer solchen Kapazität gar nicht ins Auto passen, die Höhe ist auf 260 mm beschränkt. Von daher bin ich auf die 100 Ah Zellen angewiesen und muss mit dem Problem irgendwie leben. Parallelschaltung von kleineren Zellen würde funktionieren, aber dafür ist dann wieder die Grundfläche des Batteriekastens zu klein, um 80 Zellen unterzukriegen. LTO Zellen mit 100 Ah würden dieses Problem von jetzt auf gleich lösen.

P.S.: Bei 250 Ampere maximal würden Zellen mit 625 Ah benötigt, wenn ich wie du (Jan-EL) bei 0,4C bleiben will. Und davon brauch ich dann auch noch 36-42 Stück. Du wirst einsehen müssen, das geht einfach nicht. "

Schon aus diesem Grund sehe ich eine Berechtigung der LTO Technologie, trotz der geringen Energiedichte (die übrigens nicht schlechter ist als bei LFP Zellen). Einfach nur die Zellen verbauen, die für die Reichweite passen und nicht mehr darauf achten müssen, ob man sie damit eventuell überfordert. Die Zyklenzahl ist da eher nebensächlich, viel interessanter ist doch, dass diese Zellen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und Belastungen von 2-3C noch einwandfrei funktionieren, ohne dass - im Gegensatz zu LFP Zellen mit Graphitanode - die Unterspannungswarnung auslöst. Auch die Reichweite sollte temperaturunabhängig sein. Und was wir noch gar nicht berücksichtigt haben, für Menschen mit Zeitdruck besteht die Möglichkeit mit der passenden Infrastruktur den Akku in weniger als 10 Minuten wieder aufzuladen, ohne dass er dabei Schaden nimmt. Da spielt die Energiedichte doch gar keine so große Rolle mehr, abgesehen davon, dass es eine solche Ladestation (noch) nicht gibt.

Die Toshiba Zellen dienen nur als Beispiel, weil es die schon mit Datenblatt gibt. Ich würde viel lieber die Chinazellen nehmen, weil sie gut verfügbar, recht anspruchslos und einfach zu handhaben sind. Aber noch gibt es da nichts aus der Richtung.

[Eberhard]

beim tesla model s entsprechen 1000 zyklen mal locker 500.000km. die riesen batterie sind aber notwendig um die belastung bei unter 4C zu halten.
die LFP LTO wären optimal für stationäre speicherung oder hybrids.

lg

Eberhard

[PowerTower]

Wie gesagt den Hauptvorteil der LTO Technologie sehe ich weniger in der Menge der Zyklen, als viel mehr bei der Strombelastbarkeit und damit weniger Spannungseinbruch egal unter welchen Umständen.

Einfach mal einen Blick in die Präsentation von EnerDel werfen. Die haben ihre Zelle mit 50C getestet und das scheint funktioniert zu haben. Ich meine... 50C! Da wären alle meine Probleme mit einmal gelöst. Deswegen wäre es eine absolute Verschwendung, diesen Akkutyp nur im stationären Bereich einzusetzen. Man könnte sehr einfache Autos bauen, ohne Akkuheizung, ohne Akkukühlung (durch geringen Innenwiderstand gibt es kaum eine Erwärmung), selbst auf eine Isolierung könnte man verzichten. Und bei -20°C dennoch einfach voll durchtreten und ab die Post. Das wäre zeitgemäße Akkutechnik.

Ein 20 kWh Akku würde etwa 220 kg auf die Waage bringen. Kein Leichtgewicht, aber alles andere als unmöglich. Das sind immer noch 30 kg weniger als mein originaler 11,4 kWh NiCd Akkusatz auf die Waage gebracht hat.

[PowerTower]

Habe gesehen, dass es neben der Toshiba SCiB Zelle noch was anderes interessantes mit LTO gibt von Altairnano.

Datenblatt 24V 60Ah LTO Akku
Eigenschaften Altairnano application kit

Das könnte der nahezu perfekte Akku sein, wenn da nur nicht die extrem magere Energiedichte von knapp über 50 Wh/kg wäre. Selbst Toshiba schafft immerhin 90 Wh/kg mit der gleichen Technik, womit man auch gut leben kann. Die restlichen Daten klingen allerdings äußerst überzeugend. Man findet zwar nicht allzu viele Informationen im Internet sowohl zur Toshiba Zelle als auch zum Altairnano Akku (den es wohl momentan nicht als Einzelzellen gibt), dennoch lassen sich diese wohl bestellen. Was auch noch fehlt ist eine Preisangabe, die sich nirgendwo finden lässt. Besteht da etwa die Gefahr, beim erblicken der Zahlen umzufallen?

Man könnte echt überlegen, die kostenintensive LFP Aufrüstung aufzuschieben, weil es schon danach aussieht, dass in den nächsten 1-2 Jahren neue Technologien auf dem Markt verfügbar sind. Die Frage ist nur, ob das eben auch bezahlbar ist.

[Eberhard]

dafür halten die zellen 50 Jahre oder bis zu 50.000 Zyklen

lg

eberhard

[Karlsson]

beim tesla model s entsprechen 1000 zyklen mal locker 500.000km. die riesen batterie sind aber notwendig um die belastung bei unter 4C zu halten.

Das ist ja ein Modell mit extremer Motorisierung. Bei einem normalo-Auto darf man ja mit deutlich weniger Leistung rechnen.

Schön ist natürlich, dass eine 40kW Ladung da unter 0,5C sind - also dem Akku nicht groß schadet.
Wenn die Akkupreise weiter sinken, können die Akkus somit zum gleichen Preis größer werden und die Belastung und Reichweitenproblematik entspannen sich.
Interessanter scheint dann die kalendarische Alterung zu sein als die zyklische.

[Guy]

Wenn die Akkupreise weiter sinken, können die Akkus somit zum gleichen Preis größer werden und die Belastung und Reichweitenproblematik entspannen sich.

Oder die Preise von E-Autos sinken, da man feststellt, dass 200 km Reichweite im Alltag mehr als genug sind.

Zu den LTO:
Bei der Energiedichte wird das allerdings ein Kurzstreckenfahrzeug, wesentlich mehr Kapazität wird allein aufgrund des Gewichts der Batterie nicht möglich sein - 22 kWh würden 420+ kg wiegen, die zitierte 85 kWh Batterie des Model S 1.600+ kg.

Wenn sie jedoch günstiger werden, komme sie nach Lebensende der Blei-Anker an die PV und die nächsten Jahrzehnte ist Ruhe. Ins Auto würde ich sie jedenfalls nicht packen.

[PowerTower]

Zu den LTO:
Bei der Energiedichte wird das allerdings ein Kurzstreckenfahrzeug, wesentlich mehr Kapazität wird allein aufgrund des Gewichts der Batterie nicht möglich sein - 22 kWh würden 420+ kg wiegen, die zitierte 85 kWh Batterie des Model S 1.600+ kg.

Ein Akku mit den Toshiba Zellen würde bei 22 kWh 245 kg auf die Waage bringen, das wären gerade mal 20 kg mehr, als ein vergleichbarer LFP Block auf die Waage bringt.. Original hat mein Auto 11,4 kWh NiCd gehabt, die mit 250 kg auch richtig fett waren. Da würde ich die goldene Mitte wählen aus etwa 17 kWh, da wäre das Auto immer noch 60 kg leichter und würde locker 120 km Reichweite bringen, auch im Winter, ohne dafür den Aufwand mit einer Batterieheizung betreiben zu müssen. Den japanischen i-MiEV gibt es mit den Toshibas zu kaufen und soll im Winter deutlich besser funktionieren, trotz 6 kWh Kapazität weniger.

Damit könnte ich mich schon anfreunden, ich kann aber nichts mit den 20 Ah Zellen anfangen, da die zu flach sind und somit viel nutzbarer Raum im Akkukasten verloren geht. Vielleicht kommt da irgendwann noch eine andere Variante dazu (bitte bitte). Mit einem Preisverfall um 60% bei den aktuellen LFP Zellen wäre mir aber auch erstmal geholfen.

Die Energiedichte allein seh ich nicht als Kriterium dafür, ob das Auto ein Kurzstrecken- oder Langstreckenfahrzeug wird. Wenn die Ladung schnell genug funktioniert, kann man auch ein Auto mit wenig Kapazität viele km weit bringen. Als Rechenbeispiel. Angenommen man verbraucht 15 kWh auf 100 km. Beim Zoe pumpst du 150 km in 60 Minuten an einer 22 kW Ladestation rein, beim LTO Fahrzeug (mit etwas geringerer Kapazität) sind es 100 km in 20 Minuten an einer 43 kW Ladestation oder gar nur 5 Minuten an einer 240 kW Mode 4 Ladestation (sofern es sowas jemals geben sollte). Auf einer Strecke von 300 km machst du zwar mit dem LTO Fahrzeug einen Stopp mehr, hast aber dennoch etwas Zeit gespart. Voraussetzung dafür ist, dass man keinen Umweg für die Ladestation in Kauf nehmen muss. Die Langstrecke scheitert also nicht zwangsläufig an einer geringen Energiedichte, solange die Rahmenbedingungen stimmen. Ich denke, dass eine ausreichende Anzahl an 43 kW Ladestationen in Zukunft jedes E-Auto recht zügig von A nach B bringt, auch wenn B etwas weiter weg ist. Dafür braucht es aber nunmal Energiespeicher, die mit den 43 kW und mehr nicht überfordert sind und auf Dauer Schaden nehmen. LTO wäre ein solcher Energiespeicher.

Nun könnten die Langstreckenfahrer sagen: "ja ich mach doch nicht aller 100 km Pause". Stimmt. Aber auch mit dem Zoe sind es bei zügiger Fahrweise nur wenige km mehr. Wenn wir irgendwann einen Akku haben, der 500 km am Stück liefern kann, dann ist die Diskussion eh hinfällig. Aus heutiger Sicht ist das aber noch Zukunftslesen am Relief eines Spekualtiuskekses.