Schon lange suchen Forscher nach Wegen, um Kobalt in Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen, vor allem aufgrund der hohen Kosten des Rohstoffs sowie der Teils fragwürdigen menschenrechtlichen Auswirkungen des Bergbaus u.a. im Hauptförderland Kongo. Bisherige Versuche haben jedoch die Leistungs- und Qualitätsstandards von Batterien mit Kobalt oft nicht erfüllt.
Forscher der Cockrell School of Engineering an der Universität von Texas in Austin sagen nun, sie hätten den Code für eine kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterie geknackt. Das Team habe eine neue Klasse von Kathoden entwickelt, die mit 89 Prozent einen hohen Nickelgehalt aufweist. Mangan und Aluminium bilden die anderen Schlüsselelemente. Mehr Nickel in einer Batterie bedeutet den Forschern zufolge, dass sie mehr Energie speichern kann. Diese erhöhte Energiedichte soll eine größere Reichweite für Elektroautos ermöglichen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Das Papier wurde von Arumugam Manthiram geschrieben, Professor an der Walker-Abteilung für Maschinenbau und Direktor des Texas Materials Institute, sowie von Ph.D. Student Steven Lee und Ph.D. Absolvent Wangda Li.
In der Regel ist eine erhöhte Energiedichte nur mit Kompromissen möglich, wie etwa einer kürzeren Lebensdauer – also der Häufigkeit, mit der ein Akku geladen und entladen werden kann, bevor er an Effizienz verliert und nicht mehr vollständig aufgeladen werden kann. Ein Verzicht auf Kobalt verlangsamt normalerweise die chemische Reaktion innerhalb einer Batterie und führt zu einer geringeren Ladefähigkeit – wie schnell die Batterie geladen oder entladen werden kann. Die Forscher sagen jedoch, dass sie die Probleme mit der kurzen Zyklenfestigkeit und der geringen Geschwindigkeit überwunden haben, indem sie eine optimale Kombination der Metalle gefunden haben.
Die meisten Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien verwenden Kombinationen von Metallionen wie Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) oder Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA). Kathoden können ungefähr die Hälfte der Materialkosten für die gesamte Batterie ausmachen, wobei Kobalt das mit deutlichem Abstand teuerste Element ist.
Der Schlüssel zum Durchbruch der Forscher liege auf atomarer Ebene, schreiben sie in einer aktuellen Mitteilung. Sie hätten dafür gesorgt, dass die Ionen der verschiedenen Metalle gleichmäßig über die Kristallstruktur in der Kathode verteilt blieben. Dadurch konnten sie Leistungsverluste vermeiden.
Manthiram, Li und der ehemalige Postdoktorand Evan Erickson arbeiteten mit dem Office of Technology Commercialization der Universität von Texas zusammen, um ein Startup namens TexPower zu gründen, welches die Technologie auf den Markt bringen soll. Die Forscher haben dafür auch bereits Zuschüsse vom US-Energieministerium erhalten.
Quelle: University of Texas – Pressemitteilung vom 14.07.2020
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