Nickel-Mangan-Cobalt-Akkumulator

Ein NMC-Akkumulator, umgangssprachlich meist NMC-Batterie genannt, ist ein Typ eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Wie alle Akkumulatoren dient er dazu, elektrische Energie zu speichern und wieder abzugeben. Am positiven Pol dieses Akkumulators werden die namensgebenden Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide verwendet, die Lithiumionen abgeben und wieder aufnehmen können. Diese Oxide werden abgekürzt als Li-NMC, LNMC, NMC oder NCM bezeichnet, wodurch auch der Akkumulatortyp seinen Namen erhalten hat. Der Akkumulator gehört zu der Gruppe der Lithium-Ionen-Akkumulatoren und hat daher auch den gleichen, im Bild schematisch gezeigten Aufbau einer Zelle und dasselbe Funktionsprinzip wie alle Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Der Unterschied liegt hauptsächlich in der chemischen Zusammensetzung auf der positiven Elektrode.

Als Nennspannung einer einzelnen NMC-Akkuzelle wird zumeist 3,6 V oder 3,7 V genannt.^[1] Die Ladeschlussspannung hängt von der Elektrolytzusammensetzung ab und liegt oft bei 4,2 V. Um die für eine Anwendung erforderliche Spannung, Kapazität und Stromstärke zu erhalten, werden NMC-Zellen oft in Form eines Akkupacks, d. h. als Batterie im engeren Sinne, verkauft. In Akkupacks werden die Zellen in Serie und/oder parallel verschaltet, wobei die Spannung durch die Anzahl der in Serie geschalteten Zellen und die Stromstärke sowie die Kapazität durch die Anzahl der parallel geschalteten Zellen variiert werden kann.^[2]

NMC-Akkus finden sich in den meisten Pedelecbatterien^[3] und auch in den meisten Elektroautos. NMC-Akkus wurden 2011/2012 im BMW ActiveE eingebaut, und ab 2013 im BMW i8.^[4] Zu den Elektroautos mit NMC-Batterie zählen mit Stand 2020: Audi Q8 e-tron, Beijing Automotive Group EU5 R550, BMW i3, BYD Yuan EV535, Chevrolet Bolt (inkl. Opel Ampera-e), Hyundai Kona Electric, Jaguar I-Pace, Jiangling Motors JMC E200L, Nio ES6, Nissan Leaf, Renault Zoe, Roewe Ei5, Škoda Enyaq, VW e-Golf und VW ID.3.^[5][6] Bis 2018 waren in China, dem weltgrößten Markt für Batterie-Elektroautos, ungefähr drei Millionen dieser Fahrzeuge verkauft worden. 77 % der Gesamtkapazität der Akkus dieser Autos beruhten auf NMC.^[7] Es gibt nur wenige Elektroauto-Hersteller, die in ihren Antriebsbatterien kein NMC verwenden. Die wichtigste Ausnahme ist Tesla, da Tesla für seine Fahrzeuge NCA-Akkus und LFP-Akkus nutzt. Der Heimspeicher Tesla Powerwall basiert auf NMC der Größe 18650, genauso wie dessen Nachfolger Powerwall 2, allerdings der Größe 21700.^[8]

Auch für Mobilelektronik wie Mobiltelefone und Notebooks wird NMC eingesetzt.^[9] Für diese Anwendungen waren noch 2008 praktisch ausschließlich Akkus mit LCO, d. h. Lithiumcobaltoxid, verwendet worden,^[10] heute hat NMC die Rolle des wichtigsten Batteriematerials für die Pluspolseite übernommen. Eine weitere Anwendung von NMC-Akkus sind Batterie-Speicherkraftwerke. Beispielsweise wurden 2016 in Korea zwei solcher Speichersysteme mit NMC zur Frequenzregulierung installiert: eines mit 16 MW Leistung und 6 MWh Energie und eines mit 24 MW und 9 MWh.^[11] 2017/2018 wurde eine Batterie mit über 30 MW Leistung und 11 MWh in Newman im australischen Bundesstaat Western Australia errichtet und in Betrieb genommen.^[12][13]

• Da Cobalt und Cobaltoxide wie Lithium-Cobalt(III)-oxid relativ teuer sind, ist NMC im Vergleich dazu kostengünstiger, was auch die Akkumulatoren günstiger macht.
• Durch die Vielzahl möglicher Zusammensetzungen lassen sich für verschiedene Anwendungen optimierte Zusammensetzungen finden, z. B. entweder für hohe Leistungen oder hohe Kapazität.
• NMC-Zellen und -Akkus können sehr langlebig sein. Eine auf umfangreichen Tests beruhende Abschätzung besagt, dass ein Elektroauto mit einem Akku, der mehrere tausende Male ge- und entladen wird, über 1,6 Millionen Kilometer zurücklegen könne, wenn es mit einem NMC-Akku des Typs LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂/Graphit angetrieben wird. Manche Typen sind dabei auch für Schnellladen geeigneter.^[14]

Wie alle Lithiumionenakkumulatoren kann auch die NMC-Batterie als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgeführt sein, und auch alle Bauformvarianten wie Pouch-Zelle oder Rundzelle einschließlich der Knopfzelle sind möglich. Die Varianten, die sich durch die unterschiedlichen Oxidzusammensetzungen, d. h., durch verschiedene Mischungsverhältnisse von Lithium, Nickel, Mangan und Cobalt ergeben – wie z. B. NMC333, NMC622, NMC811 –, sind unter Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide beschrieben.

Die Elektrode mit dem Ni-Mn-Co-Oxid bildet bei allen Betriebszuständen die Pluspolseite des Akkumulators. Beim Entladen findet im Oxid eine Reduktion statt, da es Elektronen aufnimmt. Die NMC-Elektrode ist in diesem Fall die Kathode, und die Reaktion lautet:

${\displaystyle \mathrm {Li} _{a-k}\mathrm {Ni} _{x}\mathrm {Mn} _{y}\mathrm {Co} _{1-x-y}\mathrm {O} _{2}+k\,\mathrm {Li} ^{+}+k\,\mathrm {e} ^{-}\;{\xrightarrow[{\color {red}{\mathsf {\!Kathode}}}]{\mathsf {\!Entladen}}}\;\;\mathrm {Li} _{a}\mathrm {Ni} _{x}\mathrm {Mn} _{y}\mathrm {Co} _{1-x-y}\mathrm {O} _{2}}$  mit  ${\displaystyle k<1}$.

In allen bisher erhältlichen kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen und damit auch im NMC-Akkumulator ist die wichtigste Reaktion auf der Minuspolseite beim Entladen eine Oxidation der Kohlenstoff-Lithium-Verbindung, die daher die Anode bildet:

${\displaystyle \mathrm {Li} _{k}\mathrm {C} _{n}\;\;{\xrightarrow[{\color {blue}{\mathsf {\!Anode}}}]{\mathsf {\!Entladen}}}\;\;n\,\mathrm {C} +k\,\mathrm {Li} ^{+}+k\,\mathrm {e} ^{-}}$  mit  ${\displaystyle n\geq 6}$.

Beim Laden werden die beiden Reaktionen durch die von außen angebrachte Gleichspannung umgekehrt.