Neues Konsortium soll Batterien für Elektrofahrzeuge nachhaltiger machen

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Die zentralen Thesen

• Ein neues Batteriematerial namens Disordered Rock Salt (DRX) könnte den Weg für einen schnelleren Ersatz von Benzinfahrzeugen durch Elektrofahrzeuge ebnen.
• DRX-Kathoden könnten Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte verleihen als herkömmliche Kathoden aus Nickel und Kobalt und Batterien für Elektrofahrzeuge nachhaltiger machen.
• Die Kommerzialisierung neuer Batteriematerialien dauert in der Regel Jahrzehnte, doch die Forscher hoffen, bereits in wenigen Jahren kommerziell nutzbare DRX-Kathoden vorführen zu können.
• Ein Konsortium der besten Batteriewissenschaftler des Landes unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) wird die Kommerzialisierung einer neuen Familie von Batteriekathodenmaterialien namens DRX oder „ungeordnetes Steinsalz“ beschleunigen.

DRX-Kathoden könnten Batterien mit einer höheren Energiedichte liefern als herkömmliche Lithium-Ionen-Batteriekathoden aus Nickel und Kobalt, zwei Metallen, die äußerst knapp sind.

Das US-Energieministerium (DOE) hat es sich zur Priorität gemacht, Möglichkeiten zu finden, den Einsatz von Kobalt in Batterien zu reduzieren oder zu eliminieren. Zur Unterstützung dieser Initiative konzentriert sich das DRX-Konsortium auf die Herstellung von DRX-Kathoden aus Mangan oder Titan, die sowohl häufiger vorkommen als auch billiger als Nickel oder Kobalt sind. Mit DRX-Kathoden hergestellte Lithiumbatterien könnten die Automobilindustrie und damit die Verbraucher vor höheren Preisen aufgrund von Lieferengpässen schützen.

„DRX-Kathoden können mit fast jedem Übergangsmetall anstelle von Nickel und Kobalt hergestellt werden. Diese Vielseitigkeit ist der Schlüssel, wenn wir Benzinfahrzeuge durch Elektrofahrzeuge ersetzen wollen“, sagte der Hauptforscher Gerbrand Ceder. Der leitende Wissenschaftler der Berkeley Lab-Fakultät und UC Berkeley-Professor für Materialwissenschaften und -technik leitet gemeinsam mit anderen Batteriewissenschaftlern das DRX-Konsortium Guoying Chen im Berkeley Lab.

Das im vergangenen Herbst gegründete DRX-Konsortium – zu dem ein Team von etwa 50 Wissenschaftlern des Berkeley Lab, des SLAC National Accelerator Laboratory, des Pacific Northwest National Laboratory, des Argonne National Laboratory, des Oak Ridge National Laboratory und der University of California in Santa Barbara gehört – wurde ausgezeichnet 20 Millionen US-Dollar vom Büro für Fahrzeugtechnologien im Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien des DOE. Die bis 2025 in jährlichen Schritten von 5 Millionen US-Dollar bereitgestellten Mittel werden es dem Konsortium ermöglichen, DRX-Batteriekathoden zu entwickeln, die eine genauso gute, wenn nicht sogar bessere Leistung erbringen könnten als die NMC-Kathoden (Nickel-Mangan-Kobalt), die in heutigen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.

„DRX bietet nachhaltigere, häufiger vorkommende und günstigere Mineralquellen für Batteriekathoden“, sagte Ceder. „Die Lithium-Ionen-Batterie ist eine wirklich gute Energiespeichertechnologie, aber um relevant zu bleiben, muss sie in Richtung einer höheren Produktion von mehreren Terawattstunden pro Jahr wachsen.“ Ohne DRX würden Lithium-Ionen-Batterien enorme Mengen an Nickel und Kobalt benötigen, wenn wir bei den aktuellen Technologien bleiben.“

„DRX könnte das Material der Wahl für Batteriekathoden sein“, fügte Chen hinzu. „Wir haben bereits Kosten- und Ressourcenvorteile. Jetzt müssen wir nur noch die Leistung steigern.“

Dekarbonisierung des Transportwesens mit DRX

DRX ist noch eine sehr junge Technologie – Ceder und sein Team entwickelten DRX vor knapp zehn Jahren, im Jahr 2014, als Reaktion auf eine schnell wachsende Lithium-Ionen-Batterieindustrie. Es dauert in der Regel 20 bis 30 Jahre, bis neue Batterietechnologien ausgereift sind. Aber DRX ist auf einem ungewöhnlich schnellen Weg zur Kommerzialisierung.

Ceder und Chen demonstrierten das Potenzial von DRX im Rahmen eines vierjährigen Programms namens „Deep Dive“, das ebenfalls vom DOE Vehicle Technologies Office finanziert wurde. Dieses Programm endete im Jahr 2022 und das Konsortium wurde kurz darauf mit dem Ziel gegründet, in weniger als fünf Jahren kommerziell nutzbare DRX-Kathoden zu demonstrieren.

Diese Dringlichkeit entsteht inmitten einer sauberen Energiewende. Die Vereinigten Staaten wollen die Hälfte aller verkauften Neuwagen herstellen im Jahr 2030 emissionsfreie Fahrzeuge, einschließlich Batterie-Elektro-, Plug-in-Hybrid-Elektro- oder Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen. In Kalifornien müssen ab 2035 alle Neuwagen emissionsfreie Fahrzeuge sein.

Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, gründeten Ceder und Chen das DRX-Konsortium und engagierten führende Batteriewissenschaftler aus dem ganzen Land und dem nationalen Laborsystem zur Unterstützung.

Forscher des Energieministeriums Nationales Wissenschaftliches Rechenzentrum für Energieforschung (NERSC) wird dem Team dabei helfen, durch Computermodellierung die beste Kombination von Mangan und Titan einzugrenzen. Forscher aus Oak Ridge National Laboratory und das Argonne National Laboratory wird an der chemischen Synthese arbeiten und die Materialien für die Industrie skalieren. Es werden neue DRX-kompatible Elektrolyte entwickelt Pacific Northwest National Laboratory. Und Forscher vom Berkeley Lab Molekulare Gießerei, SLAC National Accelerator LaboratoryUnd UC Santa Barbara wird bei der Materialcharakterisierung behilflich sein.

„DRX-Kathoden können mit fast jedem Übergangsmetall anstelle von Nickel und Kobalt hergestellt werden. Diese Vielseitigkeit ist der Schlüssel, wenn wir Benzinfahrzeuge durch Elektrofahrzeuge ersetzen wollen.“ – Gerbrand Cederleitender Wissenschaftler der Berkeley Lab-Fakultät, Abteilung Materialwissenschaften

Als Pionier der computergestützten Materialentdeckung entdeckten Ceder und sein Team DRX durch Computermodellexperimente, von denen viele am NERSC durchgeführt wurden.

Vince Battaglia und sein Team im Berkeley Lab werden die DRX-Kathoden-„Rezepte“ von Ceder testen, indem sie Dutzende DRX-Knopfzellenbatterien mit verschiedenen Formulierungen aus Titan oder Mangan herstellen. Die Idee besteht darin, die elektronische Leitfähigkeit des Materials zu verbessern, was entscheidend ist, um sicherzustellen, dass eine DRX-Lithium-Ionen-Batterie nicht nur eine hohe Energiedichte, sondern auch eine hohe Zyklenlebensdauer aufweist (die Anzahl der Male, die eine Batterie geladen und entladen werden kann, bevor sie zu brechen beginnt). runter).

„In meinem Labor können wir Hunderte von Lithium-Ionen-Knopfzellen gleichzeitig testen. Wir versuchen, Batterien in den bestmöglichen Umgebungen herzustellen, damit wir die Leistung des Materials selbst wirklich verstehen können. „Es ist so skaliert, dass es die Herstellungsprozesse nachahmt, die tatsächlich in der Praxis funktionieren würden“, sagte Battaglia.

Dieses neueste Kapitel in der Entwicklung von DRX kommt zu einem entscheidenden Zeitpunkt, da Nationen auf der ganzen Welt nach umsetzbaren Lösungen suchen, um eine Verschlimmerung der globalen Erwärmung zu verhindern.

Der Transportsektor – einer der größten Emittenten von Treibhausgasen weltweit – macht es aus Die Hälfte der Treibhausgasemissionen Kaliforniens, ein Drittel der US-Emissionen und ein Fünftel der globalen Emissionen. In Kalifornien sind die Abgasemissionen von benzinbetriebenen Fahrzeugen die größte Quelle von Treibhausgasemissionen.

Klimaforscher sagen, dass der Ersatz benzinbetriebener Fahrzeuge durch Elektrofahrzeuge eine der effektivsten Möglichkeiten zur schnellen Dekarbonisierung des Transportsektors sein könnte.

Laut einem aktuellen Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen der Vereinten Nationen wird die Welt bald eine Erwärmung von 1,5 Grad Celsius (2,7 Grad Fahrenheit) über dem vorindustriellen Niveau erleben, sofern die Treibhausgasemissionen nicht bis 2030 halbiert werden.

Laut Ceder könnte DRX eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung des Transportwesens spielen. „DRX ist eine vielversprechende Technologie, die eine zuverlässige und dennoch kostengünstige und reichlich vorhandene Energiespeicherung ermöglichen könnte. Aber das muss bald passieren – nicht in 30 Jahren, sondern jetzt. Wir haben keine Zeit zu warten – und das DRX-Konsortium wird uns dabei helfen, dorthin zu gelangen“, sagte er.

Die Molecular Foundry und NERSC sind Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science im Berkeley Lab.

Mit freundlicher Genehmigung von Lawrence Berkeley National Laboratory. Von Theresa Duque

Gegründet im Jahr 1931 mit der Überzeugung, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können. Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden mit 16 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen der Computertechnik und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigenen wissenschaftlichen Entdeckungen auf die Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.