Der chinesische Batteriehersteller CATL hat vor zwei Jahren seine TENER-Energiespeichersysteme vorgestellt und damit eine Revolution angekündigt: Batterien, die in den ersten fünf Jahren keine Kapazität verlieren. Eine solche Behauptung sorgte für Aufsehen in der Branche, da Batterien üblicherweise sowohl durch Kalender- als auch durch Zyklenalterung degradieren. Neueste Informationen erklären nun das Geheimnis hinter dieser sogenannten „Null-Degradation“: Es sind spezielle Opferadditive, die den Kapazitätsverlust geschickt verzögern.
Wichtige Erkenntnisse
- CATL verspricht Null-Degradation für seine TENER-Batterien in den ersten fünf Jahren.
- Dies wird durch Opferadditive wie Li₅FeO₄ (LFO) erreicht.
- Die Additive verhindern den anfänglichen Kapazitätsverlust bei der SEI-Bildung.
- Der Mechanismus verzögert den Kapazitätsverlust, anstatt ihn zu eliminieren.
- Längere Lebensdauer und geringerer Bedarf an Überdimensionierung bei BESS-Anlagen sind die Vorteile.
Das Prinzip der verzögerten Alterung
Experten wie Elizabeth Oliphant von Accure Battery Intelligence haben kürzlich Details zu dieser Technologie offengelegt. Es geht nicht darum, die Degradation vollständig zu verhindern, sondern den Kapazitätsverlust effektiv zu verzögern. CATL setzt dabei auf biomimetische Festelektrolyt-Interphasen (SEI) und selbstassemblierende Elektrolyt-Technologien in seinen Lithium-Eisenphosphat (LFP) TENER-Batterien. Diese Technologien verschieben die Alterungskurve der Batterie, sodass sie über Jahre hinweg flach bleibt.
Dieser Ansatz ermöglicht es, deutlich mehr Ladezyklen zu erreichen, bevor der eigentliche Kapazitätsverlust spürbar wird. Das kroatische Unternehmen Rimac, bekannt für EV- und BESS-Technologien, kündigte später ein ähnliches Produkt an, jedoch mit einem kürzeren Zeitraum von zwei Jahren ohne Kapazitätsverlust.
Faktencheck: Opferadditive
Opferadditive sind Materialien, die den Elektroden zugesetzt werden. Sie enthalten zusätzliches Lithium, das bei der Bildung der schützenden SEI-Schicht verbraucht wird. Dadurch bleibt das aktive Lithium in der Zelle erhalten, das für die eigentliche Kapazität verantwortlich ist.
Wie Opferadditive den Kapazitätsverlust verhindern
Jede Lithium-Ionen-Batterie erfährt bei der ersten Ladung einen Kapazitätsverlust. Dies geschieht, wenn Lithiumionen zur Anodenoberfläche wandern und mit dem Elektrolyten reagieren, um die schützende SEI-Schicht zu bilden. Dieses Lithium geht dabei irreversibel verloren – ein Prozess, der als „Verlust an aktivem Ion“ (AIL) oder „Verlust an Lithiuminventar“ (LLI) bezeichnet wird.
CATL verwendet hier den Opferzusatz Li₅FeO₄ (LFO). Dieser wird während der SEI-Bildung verbraucht. Statt dass das aktive Lithium der Zelle für die SEI-Schicht geopfert wird, übernehmen die Lithiumionen aus dem LFO diese Aufgabe. So bleibt das Lithiuminventar der Zelle intakt, und der anfängliche Kapazitätsverlust, den die meisten Batterien erleiden, wird verhindert.
„Die Zugabe von Opferadditiven ist ein cleverer Weg, irreversible Verluste an der Vorderseite zu laden und so den Kapazitätsverlust zu verzögern, anstatt ihn zu eliminieren.“
Herausforderungen und Optimierung
Die Freisetzung von Lithium aus dem LFO-Verbundstoff erzeugt zusätzliche Gase im Inneren der Zelle. Diese Gase müssen entweder durch Standard-Entgasungsprozesse entfernt werden, oder das Zelldesign muss so optimiert sein, dass der erhöhte Gasdruck innerhalb der Designgrenzen der Zelle gehalten werden kann. LFO ist ein ideales Opferadditiv für LFP-Batterien, da es aufgrund seiner Antifluoritstruktur sehr lithiumreich ist. Es kann bis zu viermal mehr Lithiumionen pro Gramm speichern als viele andere aktive Lithiummaterialien. Dies bedeutet, dass viel mehr Lithium mit weniger Additiv freigesetzt werden kann, wodurch die Elektrodenstruktur nicht wesentlich verändert wird.
Die richtige Menge an Opferadditiv und die genaue Freisetzungsgeschwindigkeit sind entscheidend. Eine zu geringe Menge bietet nur begrenzten Schutz, während eine zu hohe Menge die Degradation beschleunigen kann. CATL hat diese Parameter in den TENER-Zellen sorgfältig optimiert, um die beworbene Null-Degradations-Eigenschaft zu erreichen.
Hintergrund: Überdimensionierung bei BESS
Manchmal werden Batteriespeichersysteme (BESS) überdimensioniert, indem mehr Kapazität installiert wird, als tatsächlich benötigt wird. Dies soll sicherstellen, dass die verfügbare Kapazität auch nach einer gewissen Degradation nicht unter den Nennwert fällt. Der CATL-Ansatz ist jedoch anders; er verhindert den anfänglichen Kapazitätsverlust direkt durch chemische Mechanismen.
Vorteile für Energiespeichersysteme
Für Energiespeichersysteme (BESS), die über viele Jahre oder Jahrzehnte betrieben werden, ist eine langsamere Degradation und eine längere Lebensdauer von großem Vorteil. Die CATL-Systeme bieten mehr Zyklen als andere Batterietechnologien, bevor der Kapazitätsverlust einsetzt. Dies bedeutet, dass Anlagenbetreiber seltener Zellen und Module austauschen müssen, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führen kann.
Durch die verzögerte Degradation könnten Anlagenbetreiber möglicherweise auf eine Überdimensionierung ihrer Systeme verzichten, um eine hohe Installationskapazität zu gewährleisten. Auch die Notwendigkeit einer späteren Kapazitätserweiterung (Augmentierung) könnte reduziert werden, abhängig von der geplanten Lebensdauer der BESS-Anlage.
- 6,25 MWh: Eine Variante der TENER-Systeme pro Container.
- 9 MWh: Eine weitere, leistungsstärkere Variante, die ab 2025 verfügbar sein soll.
CATL gab an, dass die 9-MWh-Container eine 45-prozentige Verbesserung der Volumennutzung und eine 40-prozentige Steigerung der Flächeneffizienz ermöglichen. Dies bedeutet, dass Betreiber entweder Platz sparen oder mehr Kapazität auf derselben Fläche installieren können. Ein Beispiel von CATL zeigt, dass eine 800-MWh-Anlage fast ein Drittel weniger Container benötigen würde als eine Standard-20-Fuß-Containerlösung.
Langfristige Perspektiven und reale Anwendungen
Der Ansatz der Null-Degradation mittels Opferadditiven ist kommerziell noch relativ neu. Obwohl die Entwicklung sicherlich schon länger läuft, werden die wahren Langzeiteffekte dieser Technologie erst in 15 bis 20 Jahren in realen BESS-Anwendungen sichtbar werden. Erste Projekte, die diese Technologie nutzen, wie kürzlich in Bulgarien berichtet, sind jedoch bereits in Planung oder Umsetzung.
Die wissenschaftlichen Grundlagen deuten darauf hin, dass die Batterien deutlich mehr Zyklen durchlaufen können, bevor der Kapazitätsverlust einsetzt – bis zu 1000 Zyklen wurden bei der ersten Vorstellung der TENER-Systeme genannt. Dies könnte die Lebensdauer von BESS-Anlagen erheblich verlängern.
Es bleibt abzuwarten, wie sich die Batterien unter verschiedenen Umweltbedingungen, Lastanforderungen und Energieanwendungen (z.B. Frequenzregelung, Energiehandel) in der Praxis schlagen werden. Die Ergebnisse könnten von den Erwartungen abweichen. Die Langzeitstudien und Feldtests werden zeigen, ob CATL sein Versprechen einer Null-Degradation über fünf Jahre in der Realität halten kann.
Zusatznutzen der CATL-Technologie
- Geringere Wartungskosten: Seltenerer Austausch von Zellen und Modulen.
- Optimierte Flächennutzung: Mehr Kapazität auf kleinerem Raum.
- Potenziell geringere Anfangsinvestitionen: Weniger Überdimensionierung erforderlich.
