Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide

Kristallstruktur
_ Li+ 0 _ Ni3+, Mn3+ oder Co3+ (ungeordnet) 0 _ O2−
Allgemeines
Name	Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide
Andere Namen	Lithiumnickelmangancobaltoxid NMC, NCM, „LiNiMnCoO2“
Verhältnisformel	LiaNixMnyCozO2, meist LiNi1−y−zMnyCozO2, z. B. LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2 oder LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 (=NMC622)
Kurzbeschreibung	keramisches, schwarzes Pulver (Handelsform)[1]
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 346417-97-8 Wikidata Q22668727
Eigenschaften
Molare Masse	96,40 g·mol−1 (NMC333) 96,55 g·mol−1 (NMC532) 96,93 g·mol−1 (NMC622) 97,28 g·mol−1 (NMC811)
Aggregatzustand	fest
Schmelzpunkt	> 1000 °C[2]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[1] Achtung H- und P-Sätze H: 317​‐​351 P: 201​‐​280​‐​302+352​‐​308+313[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide, abgekürzt als Li-NMC, LNMC, NMC oder NCM bezeichnet, sind Mischoxide des Lithiums, Nickels, Mangans und des Cobalts. Sie haben die allgemeine Formel Li_aNi_xMn_yCo_zO₂. Die wichtigsten Vertreter haben eine Zusammensetzung mit x + y + z = 1. Diese sind mit Lithium-Cobalt(III)-oxid (LiCoO₂) eng verwandt und haben wie dieses eine Schichtstruktur. Sie zählen heute zu den wichtigsten Speichermaterialien für Lithiumionen in Lithium-Ionen-Akkumulatoren, siehe Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator. Sie werden dort auf der Pluspolseite eingesetzt, die beim Entladen die Kathode bildet. Ein Akkumulator, der NMC nutzt, wird dementsprechend NMC-Akkumulator genannt; siehe dort auch die Abschnitte zu den Eigenschaften der NMC-Zellen und Akkumulatoren und zur Verwendung von NMC-Akkumulatoren.

Kurzbezeichnungen der Varianten

Für wichtige NMC-Varianten sind Kurzbezeichnungen üblich, die das Verhältnis von Nickel, Mangan und Cobalt angeben. So wird beispielsweise LiNi_0,333Mn_0,333Co_0,333O₂ kurz als NMC111 oder auch als NMC333 bezeichnet, LiNi_0,5Mn_0,3Co_0,2O₂ als NMC532 (oder NCM523), LiNi_0,6Mn_0,2Co_0,2O₂ als NMC622 und LiNi_0,8Mn_0,1Co_0,1O₂ als NMC811.

2020 bezeichnete eine Forschergruppe NMC111 als überholt, NMC622 als Stand der Technik und NMC811 als das kommende Material.^[3]

Die Oxide Li_aNi_xMn_yCo_zO₂ mit a > 1 nennt man lithiumreich.

Eigenschaften

Die wichtigste, weil nützliche, Eigenschaft der Oxide vom NMC-Typ ist es, dass diese gemischten Lithiumoxide Lithiumionen und ein Elektron abgeben und wieder aufnehmen können. Beim Laden eines NMC-Akkus wird durch eine äußere Spannung die Abgabe von Elektronen und damit auch von Li⁺ erzwungen. Es läuft also die Reaktion

${\displaystyle {\ce {Li_{a}Ni_{x}Mn_{y}Co_{1-x-y}O2 -> Li_{a-k}Ni_{x}Mn_{y}Co_{1-x-y}O2 + k Li+ + ke-}}}$

ab, dabei wird das NMC oxidiert. Beim Entladen läuft die Reaktion in der umgekehrte Richtung ab und gibt dabei gleichzeitig elektrische Energie ab. Die Variable ${\displaystyle {\ce {a}}}$ in der Reaktionsgleichung hat beim Zusammenbau der Zellen oft den Wert eins. Die Variable ${\displaystyle {\ce {k}}}$ hat einen Wert deutlich unterhalb von ${\displaystyle {\ce {a}}}$ und damit unterhalb von eins, d. h., man kann bei gewöhnlich verwendeten Spannungen nicht alles Lithium aus dem Oxid extrahieren. Die Ladespannung von NMC-Akkus wird meist begrenzt, um die Zersetzung des Elektrolyten zu verhindern.^[4] NMC selbst kann eventuell auch bei höheren Spannungen arbeiten, z. B. wird für eine Variante eine maximale Ladespannung von 4,8 V angegeben, wobei eine Kapazität von 210 mAh/g erreicht werden kann.^[2] Die maximale Spannung und Kapazität hängt jedoch von der Zusammensetzung des NMC (d. h. von ${\displaystyle {\ce {x}}}$ und ${\displaystyle {\ce {y}}}$) ab.^[5]

Vor- und Nachteile

NMC ist preiswerter als das bisher oft genutzte Lithium-Cobalt(III)-oxid LiCoO₂, da Cobalt und Cobaltoxide relativ teuer sind. Im Vergleich zu LiCoO₂ können insbesondere nickelreiche NMC-Materialien mehr Kapazität zur Verfügung stellen.^[5] Im Gegensatz zum relativ umweltfreundlichen Lithiumeisenphosphat ist NMC wie viele Nickel- und Cobaltverbindungen vergleichsweise gefährlich und kann vermutlich Krebs erzeugen, wenn es in den Körper gelangt.

Hersteller

Zu den bedeutenden Herstellern von NMC zählen die BASF sowie Umicore. Umicore fertigt NMC im chinesischen Jiangmen^[6] sowie in Südkorea^[7] und hat mit Samsung vereinbart, ab 2020 jährlich 80.000 t NMC zu liefern^[7]. Umicore will das Kathodenmaterial für den europäischen Markt in der polnischen Stadt Nysa herstellen^[8], die Verarbeitung zu Lithiumionenzellen durch LG Chem erfolgt ebenfalls in Polen.^[9] Die BASF produziert NMC in ihrem Werk in Elyria, Ohio.^[10]

Historisches

Zu den Pionieren bei der Entdeckung und Erforschung von NMC zählt der an der Städtischen Universität Osaka OCU arbeitende Tsutomu Ohzuku, der 2001 erstmals in einer wissenschaftlichen Publikation über die heute NMC111 genannte Verbindung berichtete.^[11] Zu den Entdeckern der lithiumreichen NMC-Varianten zählt Michael M. Thackeray, der am Argonne National Laboratory (ANL) arbeitet.^[12] Das ANL hält Patente, die es unter anderem an die BASF lizenziert hat.^[10][12]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Datenblatt Lithium nickel manganese cobalt oxide; powder, <0.5 μm particle size, >98 % bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 23. Februar 2020 (PDF).
2. ↑ ^{a b} Datenblatt Lithium nickel manganese cobalt oxide; electrode sheet bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 29. Februar 2020 (PDF).
3. ↑ Xin Sun, Xiaoli Luo, Zhan Zhang, Fanran Meng, Jianxin Yang: Life cycle assessment of lithium nickel cobalt manganese oxide (NCM) batteries for electric passenger vehicles. In: Journal of Cleaner Production. Band 273. Elsevier, November 2020, S. 123006, doi:10.1016/j.jclepro.2020.123006. 
4. ↑ Roland Jung, Michael Metzger, Filippo Maglia, Christoph Stinner, Hubert A. Gasteiger: Chemical versus Electrochemical Electrolyte Oxidation on NMC111, NMC622, NMC811, LNMO, and Conductive Carbon. In: The Journal of Physical Chemistry Letters. Band 8, Nr. 19, 5. Oktober 2017, S. 4820–4825, doi:10.1021/acs.jpclett.7b01927. 
5. ↑ ^{a b} Stefan Oswald, Hubert A. Gasteiger: The Structural Stability Limit of Layered Lithium Transition Metal Oxides Due to Oxygen Release at High State of Charge and Its Dependence on the Nickel Content. In: Journal of The Electrochemical Society. Band 170, Nr. 3, 1. März 2023, S. 030506, doi:10.1149/1945-7111/acbf80. 
6. ↑ Umicore opens cathode plant. (Nicht mehr online verfügbar.) In: materialstoday.com. 3. Januar 2018, archiviert vom Original am 5. August 2020; abgerufen am 8. März 2020 (englisch).  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.materialstoday.com 
7. ↑ ^{a b} Marjolein Scheers: Umicore announces strategic supply agreement with Samsung SDI for NMC cathode materials. In: umicore.com. 24. Oktober 2019, abgerufen am 8. März 2020 (englisch). 
8. ↑ Chris Randall: Umicore sets up cathode factory in Poland. In: electrive.com. Rabbit Publishing GmbH, 2. Juni 2018, abgerufen am 8. März 2020 (amerikanisches Englisch). 
9. ↑ Mark Kane: Umicore To Supply NMC Cathode Materials For LG Chem Batteries. In: insideevs.com. 28. September 2019, abgerufen am 8. März 2020 (englisch). 
10. ↑ ^{a b} Michael Fetcenko: BASF-ANL Collaboration on NCM Cathode Materials. (PDF) In: www.energy.gov. U.S. Department of Energy, 4. November 2014, abgerufen am 14. März 2020 (englisch). 
11. ↑ Tsutomu Ohzuku, Yoshinari Makimura: Layered Lithium Insertion Material of LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3 O₂ for Lithium-Ion Batteries. In: Chemistry Letters. Band 30, Nr. 7, Juli 2001, S. 642–643, doi:10.1246/cl.2001.642 (Mit Stand März 2020 wurde diese Arbeit laut Scopus über 1000-mal zitiert.). 
12. ↑ ^{a b} Joseph E. Harmon: Argonne’s debt to 2019 Nobel Prize for lithium-ion battery | Argonne National Laboratory. In: Argonne National Laboratory Feature Story. Argonne National Laboratory, U.S. Department of Energy Office of Science, 9. Dezember 2019, abgerufen am 14. März 2020 (englisch).