Forschung -

Batterietechnologien ganz ohne Kobalt? Hoffentlich!

Lithium-Batterien enthalten mehr als 50 Prozent des weltweit produzierten Kobalts. Und rund 50 Prozent des weltweiten Kobalts werden im Kongo gewonnen, wo es größtenteils von Hand, in einigen Fällen sogar von Kindern, abgebaut wird.

Ein Forscherteam unter Leitung von der University of California, Berkeley, öffnete nunmehr die Tür zur Verwendung anderer Metalle in Lithium-Ionen-Batterien und entwickelte dafür Kathoden mit 50 Prozent mehr Lithiumspeicherkapazität als herkömmliche Materialien.

"Wir eröffneten einen neuen Chemieraum für die Batterietechnologie," sagte Professor Gerbrand Ceder vom 'Department of Materials Science and Engineering'.

"Wir haben zum ersten Mal ein richtig billiges Element, das zahlreiche Elektronenaustauschfunktionen in Batterien bewerkstelligen kann." Der Forschungsbericht erschien in "Nature". An diesem Forschungsprojekt arbeiteten Experten von UC Berkeley, Berkeley Lab, Argonne National Lab, MIT und UC Santa Cruz.

In den heutigen auf Lithium basierenden Batterien werden die Lithiumionen in Kathoden gespeichert, die aus geschichteten Strukturen bestehen und die durch Kobalt beständig gehalten werden.

Wenn eine Batterie geladen wird, werden Lithiumionen von der Kathode zur anderen Seite der Zelle (Anode) gezogen. Das Fehlen von Lithium in der Kathode hinterlässt also viel Raum.

Die meisten Metallionen würden in diesen Raum wandern, wodurch die Kathode ihre Struktur verlieren würde. Aber Kobalt ist eines der wenigen Elemente, die sich nicht 'bewegen'. Es ist damit für die Batterieindustrie ein besonders wichtiges Material.

Im Jahr 2014 entdeckte Ceders Labor einen Weg, durch den Kathoden ihre hohe Energiedichte auch ohne diese Schichten beibehalten können - ein Konzept, das 'ungeordnete Steinsalze' genannt wird.

Die neue Studie zeigt, wie Mangan innerhalb dieses Konzeptes arbeiten kann, ein aussichtsreicher Schritt fort von der Kobaltabhängigkeit, denn Mangan ist reichlich vorhanden und billig.

Ceder: "Um das Problem mit der Verfügbarkeit von Kobalt zu lösen, muss man sich von der Schichtung in den Kathoden trennen. Ungeordnete Kathoden geben uns die Gelegenheit, mit weitaus mehr Materialien von der Periodentafel zu arbeiten."

In der neuen Studie zeigen die Experten, wie man mit neuen Technologien hohe Kapazitäten in einer Kathode erreichen kann. Mit der Fluordotierung integrierten die Forscher große Manganmengen in einer Kathode.

Wenn man mehr Manganionen mit der richtigen Ladung hat, können die Kathoden mehr Lithiumionen aufnehmen, wodurch sich die Batteriekapazität erhöht.

Die Kathodenleistung wird in Energie pro Gewichtseinheit gemessen, also Wattstunden pro Kilogramm. Die ungeordneten Mangankathoden erreichten fast 1000 Wh/kg. Typische Lithium-Ionen-Kathoden befinden sich im Bereich von 500 bis 700 Wh/kg.

Die neue Batterietechnologie muss erst noch in größerem Rahmen getestet werden, um zu sehen, ob sie für Laptops oder elektrische Fahrzeuge brauchbar ist.

Nach Ansicht von Professor Ceder ist es aber nicht von absoluter Bedeutung, ob diese Technologie in Batterien auftauchen wird. Viel wichtiger sei es, dass es nunmehr neue Möglichkeiten für Kathodendesigns gibt.

"Man kann jetzt praktisch jedes Element der Periodentafel verwenden, weil wir gezeigt haben, dass Kathoden keine Schichten aufweisen müssen. Plötzlich haben wir eine weitaus größere chemische Freiheit, von der die richtige Begeisterung ausgeht."

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