Forscher behaupten, Batterien mit Eisenkathoden übertreffen herkömmliche Materialien

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Es ist Teil unseres Mantras bei CleanTechnica dass die Batterien, die für den Erfolg der Elektroauto-Revolution erforderlich sind, noch nicht erfunden sind. Vor einem Jahr kursierten im Internet Horrorgeschichten darüber, dass Elektroautos im Winter nichts taugen. Innerhalb eines Monats erklärten CATL und andere Batteriehersteller, sie hätten neue Batterien in Arbeit, die das Problem der Leistungseinbußen bei kaltem Wetter lösen oder zumindest verringern würden. Die Leute (normalerweise diejenigen, die noch nie ein Elektroauto gefahren sind) beschweren sich lautstark darüber, dass das Aufladen der heutigen Batterien zu lange dauert. Und plötzlich werden Autos wie der Kia EV3 angekündigt, die in 30 Minuten von 10 auf 80 Prozent aufgeladen werden können. Oh je. Worüber werden wir uns als Nächstes beschweren?

Und wie steht es mit den hohen Kosten für Batterien? Das ist ein Problem, das sich nicht so leicht lösen lässt, obwohl mehrere Forscher an neuen Technologien arbeiten, bei denen Lithium durch Natrium ersetzt wird. Der Preis für Lithium ist seit letztem Jahr dramatisch gesunken, aber es gibt auf der Erde nur wenige Materialien, die billiger sind als Natrium – einer der Bestandteile von gewöhnlichem Salz. Natrium ist praktisch überall in großen Mengen vorhanden – zum Beispiel im Meerwasser.

Batterien & Kathoden

Kathoden kosten etwa die Hälfte der Kosten herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien. Viele dieser Kathoden enthalten Kobalt und Nickel, die beide relativ teuer sind und Umweltbedenken hervorrufen. Sie werden auch in verschiedenen Industrien häufig verwendet. Nickel wird zur Herstellung von rostfreiem Stahl verwendet, und Kobalt wird seit Jahrzehnten von der Ölindustrie zur Herstellung von Benzin verwendet. Natürlich erwähnen die Ölkonzerne das nicht, wenn sie die Batteriehersteller dafür kritisieren, dass sie kleine Kinder zwingen, Kobalt mit ihren Fingern aus dem Boden zu graben. Heuchelei ist ein so normaler Teil ihres Geschäfts, dass sie nicht einmal rot werden, wenn sie dabei erwischt werden, wie sie mit gespaltener Zunge reden.

Ein weiterer billiger und reichlich vorhandener Rohstoff ist Eisen. Forscher von Oregon State Universitätgab diese Woche in Zusammenarbeit mit Kollegen der Vanderbilt University, der Stanford University, der University of Maryland, des Lawrence Berkeley National Laboratory und des SLAC National Accelerator Laboratory bekannt, dass sie einen Weg gefunden haben, in den Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien Nickel und Kobalt durch Eisen zu ersetzen, was die Kosten der Kathoden drastisch senken könnte.

Die Ergebnisse wurden am 23. Mai 2024 in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschrittesind aus mehreren Gründen wichtig. Xiulei „David“ Ji, der leitende Forscher bei Oregon States, sagt: „Wir haben die Reaktivität von Eisenmetall, dem billigsten Metallrohstoff, verändert. Unsere Elektrode kann eine höhere Energiedichte bieten als die modernsten Kathodenmaterialien in Elektrofahrzeugen. Und da wir Eisen verwenden, dessen Kosten weniger als einen Dollar pro Kilogramm betragen können – ein kleiner Bruchteil von Nickel und Kobalt, die in aktuellen hochenergetischen Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar sind – sind die Kosten unserer Batterien potenziell viel niedriger.“ Abgesehen von den wirtschaftlichen Aspekten würden Kathoden auf Eisenbasis für mehr Sicherheit und Nachhaltigkeit sorgen, fügte Ji hinzu.

Ersatz von Kobalt und Nickel in Batterien

Da immer mehr Lithium-Ionen-Batterien zur Elektrifizierung des Transportsektors hergestellt werden, ist die weltweite Nachfrage nach Nickel und Kobalt sprunghaft gestiegen. Ji weist darauf hin, dass Engpässe bei Nickel und Kobalt in ein paar Jahrzehnten die Batterieproduktion, wie sie derzeit stattfindet, bremsen könnten. Darüber hinaus wird die Energiedichte von Kobalt und Nickel bereits auf ein maximales Niveau ausgereizt. Wird sie noch weiter ausgereizt, könnte der beim Laden freigesetzte Sauerstoff die Batterien entzünden.

Kobalt ist giftig, das heißt, es kann Ökosysteme und Wasserquellen verunreinigen, wenn es aus Mülldeponien austritt. [Note: no one is disposing of electric car batteries in landfills today. The materials inside are too valuable and can be reclaimed to make new batteries. But batteries for electric bikes, cell phones, computers, and so forth can easily end up in landfills, so the researchers are partially correct.]

Eine Batterie besteht aus zwei Elektroden – der Anode und der Kathode, die normalerweise aus unterschiedlichen Materialien bestehen – sowie einem Separator und einem Elektrolyten, einem chemischen Medium, das den Fluss elektrischer Ladung ermöglicht. Während der Entladung der Batterie fließen Elektronen von der Anode in einen externen Stromkreis und sammeln sich dann an der Kathode. In einer Lithium-Ionen-Batterie wird eine Ladung über Lithium-Ionen transportiert, die sich während der Entladung durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode und während des Wiederaufladens wieder zurück bewegen.

„Unsere eisenbasierte Kathode wird nicht durch Ressourcenknappheit eingeschränkt“, sagte Ji, der erklärte, dass Eisen nicht nur gemessen an der Masse das häufigste Element auf der Erde ist, sondern auch das vierthäufigste Element in der Erdkruste. „Uns wird das Eisen nicht ausgehen, bis die Sonne sich in einen roten Riesen verwandelt.“

Ji und Mitarbeiter mehrerer Universitäten und nationaler Laboratorien erhöhten die Reaktivität des Eisens in ihrer Kathode, indem sie eine chemische Umgebung auf der Basis einer Mischung aus Fluor- und Phosphatanionen – negativ geladenen Ionen – entwickelten. Die Mischung ist eine feine Mischung aus Eisenpulver, Lithiumfluorid und Lithiumphosphat.

„Wir haben gezeigt, dass die mit Anionen entwickelten Materialien die Energiedichtegrenze für Batterien durchbrechen können, die nachhaltiger und kostengünstiger sind“, sagte Ji. „Wir verwenden kein teureres Salz in Verbindung mit Eisen, sondern nur das, was die Batterieindustrie verwendet, und fügen dann Eisenpulver hinzu. Um diese neue Kathode in Anwendungen einzusetzen, muss man nichts anderes ändern – keine neuen Anoden, keine neuen Produktionslinien, kein neues Batteriedesign. Wir ersetzen nur eine Sache – die Kathode.“

Die Speichereffizienz müsse noch verbessert werden, sagte Ji. Derzeit steht nicht der gesamte Strom, der beim Laden in die Batterie eingespeist wird, beim Entladen zur Verfügung. Wenn diese Verbesserungen vorgenommen werden – und Ji geht davon aus, dass dies der Fall sein wird –, wird das Ergebnis eine Batterie sein, die viel besser funktioniert als die derzeit verwendeten, dabei weniger kostet und umweltfreundlicher ist.

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„Wenn in diese Technologie investiert wird, sollte es nicht lange dauern, bis sie kommerziell verfügbar ist“, sagte Ji. „Wir brauchen die Visionäre der Branche, um diesem aufstrebenden Bereich Ressourcen zuzuweisen. Die Welt kann eine Kathodenindustrie auf der Grundlage eines Metalls haben, das im Vergleich zu Kobalt und Nickel fast kostenlos ist. Und während man beim Recycling von Kobalt und Nickel wirklich hart arbeiten muss, muss man nicht einmal Eisen recyceln. Es wird einfach zu Rost, wenn man es nicht nutzt.“

Das Programm „Basic Energy Sciences“ des US-Energieministeriums finanzierte diese Forschung, die von Tongchao Liu vom Argonne National Laboratory mitgeleitet wurde und an der auch Mingliang Yu, Min Soo Jung und Sean Sandstrom von der Oregon State University teilnahmen. Wissenschaftler der Vanderbilt University, der Stanford University, der University of Maryland, des Lawrence Berkeley National Laboratory und des SLAC National Accelerator Laboratory beteiligten sich ebenfalls.

Das wegnehmen

Viele Leser werden Fragen zu dieser Forschung haben. Wir haben keine Details zu Energiedichte, Laderate, Leistung bei niedrigen und hohen Temperaturen, Batterielebensdauer usw. Die veröffentlichte Forschungsarbeit könnte jedoch einige Hinweise enthalten. Es ist eine gute Nachricht, dass das Verfahren mit Eisenkathoden keine Änderungen an den Produktionslinien zur Herstellung von Batterien erfordert, aber die Autohersteller werden Jahre der Tests in realen Situationen benötigen, bevor sie sich bereit erklären, diese Batterien für den Einsatz in den von ihnen verkauften Autos und Lastwagen zu kaufen. Das ist eine Selbstverständlichkeit und es gibt wirklich keine Möglichkeit, diesen Prozess zu beschleunigen.

Allerdings schreiten die Verbesserungen bei Batterien für Elektrofahrzeuge schnell voran – viel schneller als bei herkömmlichen Autos. Es dauerte Jahrzehnte, bis der Selbststarter die Handkurbel ersetzte und Automatikgetriebe, Servolenkung, Klimaanlage, Scheibenbremsen und selbstrückstellende Blinker allgemein verfügbar wurden. Die Chancen stehen gut, dass die im Jahr 2030 verfügbaren Elektroautos einen Quantensprung gegenüber den heutigen Elektrofahrzeugen darstellen werden. Hier bei CleanTechnicawir können es kaum erwarten zu sehen, was die EV-Revolution bereithält. Die Zukunft ist so rosig, dass wir Sonnenbrillen tragen müssen!