Kobaltfreie Batterien könnten Autos der Zukunft antreiben

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MIT-Chemiker haben eine Batteriekathode auf Basis organischer Materialien entwickelt, die die Abhängigkeit der Elektrofahrzeugindustrie von knappen Metallen verringern könnte.

Viele Elektrofahrzeuge werden von Batterien angetrieben, die Kobalt enthalten – ein Metall, das hohe finanzielle, ökologische und soziale Kosten verursacht.

MIT-Forscher haben nun ein Batteriematerial entwickelt, das eine nachhaltigere Möglichkeit für den Antrieb von Elektroautos bieten könnte. Die neue Lithium-Ionen-Batterie enthält eine Kathode auf Basis organischer Materialien anstelle von Kobalt oder Nickel (ein weiteres Metall, das häufig in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird).

In einer neuen Studie zeigten die Forscher, dass dieses Material, das zu deutlich geringeren Kosten hergestellt werden könnte als kobalthaltige Batterien, Strom mit ähnlichen Geschwindigkeiten leiten kann wie Kobaltbatterien. Die neue Batterie verfügt außerdem über eine vergleichbare Speicherkapazität und lässt sich schneller aufladen als Kobaltbatterien, berichten die Forscher.

„Ich denke, dieses Material könnte große Auswirkungen haben, weil es wirklich gut funktioniert“, sagt Mircea Dincă, WM-Keck-Professor für Energie am MIT. „Es ist bereits mit etablierten Technologien konkurrenzfähig und kann viele Kosten, Schmerzen und Umweltprobleme einsparen, die mit dem Abbau der Metalle verbunden sind, die derzeit in Batterien verwendet werden.“

Dincă ist der leitende Autor der Studie, die heute in der Zeitschrift erscheint ACS Zentralwissenschaft. Tianyang Chen PhD ’23 und Harish Banda, ein ehemaliger MIT-Postdoc, sind die Hauptautoren des Papiers. Weitere Autoren sind Jiande Wang, ein MIT-Postdoc; Julius Oppenheim, ein MIT-Absolvent; und Alessandro Franceschi, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bologna.

Alternativen zu Kobalt

Die meisten Elektroautos werden von Lithium-Ionen-Batterien angetrieben, einem Batterietyp, der aufgeladen wird, wenn Lithiumionen von einer positiv geladenen Elektrode, der sogenannten Kathode, zu einer negativ geladenen Elektrode, der sogenannten Anode, fließen. Bei den meisten Lithium-Ionen-Batterien enthält die Kathode Kobalt, ein Metall, das eine hohe Stabilität und Energiedichte bietet.

Kobalt hat jedoch erhebliche Nachteile. Da es sich um ein knappes Metall handelt, kann sein Preis dramatisch schwanken und ein Großteil der Kobaltvorkommen weltweit befindet sich in politisch instabilen Ländern. Der Kobaltabbau führt zu gefährlichen Arbeitsbedingungen und erzeugt Giftmüll, der das Land, die Luft und das Wasser rund um die Minen verunreinigt.

„Kobaltbatterien können viel Energie speichern und verfügen über alle Leistungsmerkmale, die den Menschen wichtig sind. Allerdings sind sie nicht allgemein verfügbar und die Kosten schwanken stark mit den Rohstoffpreisen. Und wenn man auf dem Verbrauchermarkt auf einen viel höheren Anteil elektrifizierter Fahrzeuge umsteigt, wird es sicherlich teurer“, sagt Dincă.

Aufgrund der vielen Nachteile von Kobalt wurde viel Forschung in die Entwicklung alternativer Batteriematerialien gesteckt. Ein solches Material ist Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), das einige Automobilhersteller zunehmend in Elektrofahrzeugen einsetzen. Obwohl LFP praktisch immer noch nützlich ist, hat sie nur etwa die Hälfte der Energiedichte von Kobalt- und Nickelbatterien.

Eine weitere attraktive Option sind organische Materialien, doch die meisten dieser Materialien konnten bisher nicht mit der Leitfähigkeit, Speicherkapazität und Lebensdauer kobalthaltiger Batterien mithalten. Aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit müssen solche Materialien typischerweise mit Bindemitteln wie Polymeren gemischt werden, die ihnen helfen, ein leitfähiges Netzwerk aufrechtzuerhalten. Diese Bindemittel, die mindestens 50 Prozent des Gesamtmaterials ausmachen, verringern die Speicherkapazität der Batterie.

Vor etwa sechs Jahren begann Dincăs Labor mit der Arbeit an einem von Lamborghini finanzierten Projekt zur Entwicklung einer organischen Batterie, die zum Antrieb von Elektroautos verwendet werden könnte. Während sie an porösen Materialien arbeiteten, die teilweise organisch und teilweise anorganisch waren, stellten Dincă und seine Schüler fest, dass ein vollständig organisches Material, das sie hergestellt hatten, ein starker Leiter sein könnte.

Dieses Material besteht aus vielen Schichten von TAQ (Bis-Tetraaminobenzochinon), einem organischen kleinen Molekül, das drei kondensierte sechseckige Ringe enthält. Diese Schichten können sich in alle Richtungen nach außen erstrecken und eine graphitähnliche Struktur bilden. Innerhalb der Moleküle befinden sich chemische Gruppen, sogenannte Chinone, die als Elektronenreservoir dienen, und Amine, die dem Material helfen, starke Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden.

Diese Wasserstoffbrückenbindungen machen das Material sehr stabil und gleichzeitig sehr unlöslich. Diese Unlöslichkeit ist wichtig, da sie verhindert, dass sich das Material im Batterieelektrolyten auflöst, wie dies bei einigen organischen Batteriematerialien der Fall ist, und dadurch die Lebensdauer verlängert.

„Eine der Hauptmethoden für den Abbau organischer Materialien besteht darin, dass sie sich einfach im Batterieelektrolyten auflösen und auf die andere Seite der Batterie gelangen, wodurch im Wesentlichen ein Kurzschluss entsteht. Wenn man das Material vollständig unlöslich macht, findet dieser Prozess nicht statt, sodass wir über 2.000 Ladezyklen mit minimaler Verschlechterung durchführen können“, sagt Dincă.

Starke Leistung

Tests dieses Materials zeigten, dass seine Leitfähigkeit und Speicherkapazität mit denen herkömmlicher kobalthaltiger Batterien vergleichbar waren. Außerdem können Batterien mit einer TAQ-Kathode schneller geladen und entladen werden als bestehende Batterien, was die Ladegeschwindigkeit für Elektrofahrzeuge beschleunigen könnte.

Um das organische Material zu stabilisieren und seine Haftfähigkeit am Stromkollektor der Batterie, der aus Kupfer oder Aluminium besteht, zu erhöhen, fügten die Forscher Füllmaterialien wie Zellulose und Gummi hinzu. Diese Füllstoffe machen weniger als ein Zehntel des gesamten Kathodenverbunds aus, sodass sie die Speicherkapazität der Batterie nicht wesentlich verringern.

Diese Füllstoffe verlängern auch die Lebensdauer der Batteriekathode, indem sie verhindern, dass sie reißt, wenn beim Laden der Batterie Lithiumionen in die Kathode fließen.

Die für die Herstellung dieses Kathodentyps benötigten Primärmaterialien sind ein Chinon-Vorläufer und ein Amin-Vorläufer, die bereits im Handel erhältlich sind und in großen Mengen als Grundchemikalien hergestellt werden. Die Forscher schätzen, dass die Materialkosten für den Zusammenbau dieser organischen Batterien etwa ein Drittel bis die Hälfte der Kosten für Kobaltbatterien betragen könnten.

Lamborghini hat das Patent auf die Technologie lizenziert. Dincăs Labor plant, weiterhin alternative Batteriematerialien zu entwickeln und untersucht einen möglichen Ersatz von Lithium durch Natrium oder Magnesium, die billiger und häufiger vorkommen als Lithium.

Zeitschriftenlink: ACS Zentralwissenschaft

Artikel von MIT-Nachrichten.