Jenseits von Lithium: Eine systematische Suche nach Materialkandidaten für Kalzium-Ionen-Batterien
Wissenschaftler führen quantenmechanische Simulationen durch, um eine vielversprechende Klasse von Materialien für neue Arten von wiederaufladbaren Batterien zu identifizieren
Elektroautos sind die Zukunft; sie werden dazu beitragen, die Luftverschmutzung zu verringern und unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu beenden. Allerdings gibt es bei dieser potenziell bahnbrechenden Technologie ein eklatantes Problem: die Verfügbarkeit von ausreichend Lithium (Li) zur Herstellung all dieser Autobatterien. Die besten wiederaufladbaren Batterien, die wir derzeit haben, basieren auf chemischen Reaktionen mit Li, weshalb man Li-Ionen-Batterien in den meisten tragbaren elektronischen Geräten findet. Leider ist Li auf der Erde nicht im Überfluss vorhanden, und seine Reserven machen gerade einmal 0,002 % der Erdkruste aus. Sobald sich Elektroautos verbreiten, wird die Nachfrage nach Li das Angebot übersteigen.
Da Lithium in der Erdkruste zu knapp ist, müssen wir wiederaufladbare Batterien entwickeln, die auf chemischen Reaktionen mit anderen Alkalimetallen basieren, von denen Kalzium ein vielversprechender Kandidat ist (Symbolbild).
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Ein möglicher Ausweg aus diesem Dilemma besteht darin, neue Batterietypen zu entwickeln, die auf reichlichere Alkalimetalle anstelle von Li zurückgreifen. Unter den verschiedenen Kandidaten, die Li ersetzen könnten, sticht Kalzium (Ca) als vielversprechendes Metall für wiederaufladbare Batterien hervor. Ca ist nicht nur 10.000-mal häufiger vorhanden als Li, sondern kann theoretisch auch eine ähnliche Batterieleistung erbringen. Der Entwicklung von Batterien auf Ca-Basis stehen jedoch noch einige große Hürden im Wege. Eine davon ist das fehlende Wissen über geeignete Kathodenmaterialien (Minuspol), die Ca effizient und reversibel speichern und freisetzen können.
Um die besten Kathodenmaterialien für Ca-Batterien zu finden, haben Assistant Professor Haesun Park von der Chung-Ang University in Korea und seine Kollegen einen systematischen Ansatz gewählt. Durch quantenmechanische Simulationen mit hohem Durchsatz, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) basieren, sagte das Team batterierelevante Eigenschaften verschiedener geschichteter Materialien voraus, die Ca und Übergangsmetalloxide kombinieren.
Der größte Teil dieser Arbeit wurde am Argonne National Lab und in einem vom US-Energieministerium unterstützten Projekt des Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) durchgeführt. "Die Forschung an Kalziumbatterien ist eine der wichtigsten laufenden Arbeiten des JCESR", so Prof. Park. "Die stabile Unterstützung durch Argonne und das JCESR-Projekt hat es uns ermöglicht, die Herausforderungen bei Ca-Ionen-Batterien anzugehen, und ihr integratives Umfeld hat die Voraussetzungen für synergetische Kooperationen geschaffen." Die zugehörige Arbeit wurde am 6. November 2021 online gestellt und am 23. Dezember 2021 in Band 11, Ausgabe 48 von Advanced Energy Materials veröffentlicht.
Die Wissenschaftler berücksichtigten sieben Übergangsmetallionen und vier Arten von Schichtstrukturen für insgesamt 28 Kathodenkandidaten. Mithilfe von DFT-Berechnungen bewerteten sie viele wichtige Eigenschaften, darunter ihre thermodynamische Stabilität, Energiedichte, Synthetisierbarkeit, Ca-Mobilität und elektronische Struktur. Auf diese Weise konnten sie vielversprechende Materialien für die Entwicklung von Batterien auf Ca-Basis ausfindig machen.
Insbesondere identifizierten die Wissenschaftler Kobalt (Co) als ein gut abgerundetes Übergangsmetall für eine geschichtete Ca-basierte Kathode mit der Formel CaCo2O4. Außerdem zeigten sie, dass die Kombination verschiedener Übergangsmetalle in der Kathode eine praktikable Strategie zur Verbesserung bestimmter gewünschter Eigenschaften sein kann. "Wir konnten zeigen, dass geschichtete Übergangsmetalloxide, die in Lithium-, Natrium- und Kaliumbatterien weit verbreitet sind, eine vielversprechende Materialklasse für Ca-Kathoden sein können", betont Prof. Park. "Die vielversprechenden Kandidatenstrukturen und chemischen Zusammensetzungen, die wir gefunden haben, werden hoffentlich zu weiteren Experimenten mit diesen Materialien anregen."
Die erfolgreiche Entwicklung kostengünstiger und leistungsfähiger Ca-Ionen-Batterien wird sicherlich dazu beitragen, den notwendigen Übergang von herkömmlichen Autos hin zu Elektrofahrzeugen zu vollziehen, die in vielerlei Hinsicht umweltfreundlicher sein werden. Hoffen wir, dass experimentelle Arbeiten die Ergebnisse dieser Studie untermauern und den Weg in eine grünere Zukunft ebnen.
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