Kobaltfreie Batterie für sauberen, umweltfreundlichen Strom

Ein Ersatz für Kobalt in Batterien vermeidet dessen ökologische und soziale Auswirkungen

24.10.2023

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Leistungsstarke und zuverlässige wiederaufladbare Batterien sind ein wichtiger Bestandteil vieler Geräte und sogar von Verkehrsmitteln. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Umstellung auf eine umweltfreundlichere Welt. Zu ihrer Herstellung wird eine Vielzahl von Elementen verwendet, darunter auch Kobalt, dessen Produktion zu einigen ökologischen, wirtschaftlichen und sozialen Problemen beiträgt. Ein Team, dem auch Forscher der Universität Tokio angehören, stellt erstmals eine brauchbare Alternative zu Kobalt vor, die in mancher Hinsicht die moderne Batteriechemie übertreffen kann. Sie übersteht auch eine große Anzahl von Aufladezyklen, und die zugrunde liegende Theorie lässt sich auf andere Probleme anwenden.

Wahrscheinlich lesen Sie diesen Artikel gerade auf einem Laptop oder einem Smartphone, und wenn nicht, besitzen Sie wahrscheinlich mindestens eines davon. In beiden Geräten und in vielen anderen befindet sich ein Lithium-Ionen-Akku (LIB). Seit Jahrzehnten sind LIBs der Standard für die Stromversorgung von tragbaren oder mobilen elektronischen Geräten und Maschinen. Im Zuge der weltweiten Abkehr von fossilen Brennstoffen werden sie als wichtiger Schritt für den Einsatz in Elektroautos und Hausbatterien für Menschen mit Sonnenkollektoren angesehen. Aber so wie Batterien ein positives und ein negatives Ende haben, so haben auch LIBs negative Punkte, die ihren positiven gegenüberstehen.

Zum einen gehören sie zwar zu den tragbaren Energiequellen mit der höchsten Energiedichte, doch viele Menschen wünschen sich, dass LIBs eine höhere Energiedichte aufweisen, damit sie entweder länger halten oder noch anspruchsvollere Geräte antreiben können. Außerdem können sie eine große Anzahl von Aufladezyklen überstehen, aber auch sie degradieren mit der Zeit; es wäre für alle besser, wenn die Batterien mehr Aufladezyklen überstehen und ihre Kapazität länger beibehalten könnten. Das vielleicht alarmierendste Problem bei den derzeitigen LIBs liegt jedoch in einem der für ihre Konstruktion verwendeten Elemente.

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Kobalt wird häufig für ein Schlüsselelement von LIBs, die Elektroden, verwendet. Alle Batterien funktionieren auf ähnliche Weise: Zwei Elektroden, eine positive und eine negative, fördern den Fluss von Lithium-Ionen zwischen ihnen im so genannten Elektrolyt, wenn sie an einen externen Stromkreis angeschlossen sind. Kobalt ist jedoch ein seltenes Element, so selten, dass es derzeit nur eine einzige Hauptquelle gibt: eine Reihe von Minen in der Demokratischen Republik Kongo. Im Laufe der Jahre wurde viel über die Umweltauswirkungen dieser Minen und die dortigen Arbeitsbedingungen, einschließlich Kinderarbeit, berichtet. Auch aus Sicht der Versorgung ist die Herkunft des Kobalts aufgrund der politischen und wirtschaftlichen Instabilität in der Region ein Problem.

"Es gibt viele Gründe, warum wir von der Verwendung von Kobalt wegkommen wollen, um die Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern", sagte Professor Atsuo Yamada von der Abteilung für Chemische Systemtechnik. "Für uns ist das eine technische Herausforderung, die aber auch ökologische, wirtschaftliche, soziale und technologische Auswirkungen haben kann. Wir freuen uns, eine neue Alternative zu Kobalt vorstellen zu können, indem wir eine neuartige Kombination von Elementen in den Elektroden verwenden, darunter Lithium, Nickel, Mangan, Silizium und Sauerstoff - alles Elemente, die weitaus häufiger vorkommen und deren Herstellung und Verarbeitung weniger problematisch ist."

Die neuen Elektroden und der Elektrolyt, die Yamada und sein Team entwickelt haben, sind nicht nur kobaltfrei, sondern verbessern die derzeitige Batteriechemie in mancher Hinsicht. Die Energiedichte der neuen LIBs ist um etwa 60 % höher, was zu einer längeren Lebensdauer führen könnte, und sie können 4,4 Volt liefern, im Gegensatz zu etwa 3,2 bis 3,7 Volt bei typischen LIBs. Eine der überraschendsten technologischen Errungenschaften war jedoch die Verbesserung der Wiederaufladeeigenschaften. Testbatterien mit der neuen Chemie waren in der Lage, sich über 1.000 Zyklen vollständig aufzuladen und zu entladen (was drei Jahre voller Nutzung und Aufladung simuliert), wobei sie nur etwa 20 % ihrer Speicherkapazität verloren.

"Wir sind mit den bisherigen Ergebnissen sehr zufrieden, aber der Weg dorthin war nicht ohne Herausforderungen. Es war schwierig, verschiedene unerwünschte Reaktionen zu unterdrücken, die in frühen Versionen unserer neuen Batteriechemie auftraten und die Langlebigkeit der Batterien drastisch hätten verringern können", so Yamada. "Und wir haben noch einen weiten Weg vor uns, denn es gibt noch kleinere Reaktionen, die wir abmildern müssen, um die Sicherheit und Langlebigkeit weiter zu verbessern. Zum jetzigen Zeitpunkt sind wir zuversichtlich, dass diese Forschung zu verbesserten Batterien für viele Anwendungen führen wird, aber einige, bei denen extreme Haltbarkeit und Langlebigkeit erforderlich sind, werden vielleicht noch nicht zufrieden sein."

Obwohl Yamada und sein Team Anwendungen für LIBs untersuchten, lassen sich die Konzepte, die ihrer jüngsten Entwicklung zugrunde liegen, auch auf andere elektrochemische Prozesse und Geräte anwenden, darunter andere Arten von Batterien, Wasserspaltung (zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff), Erzverhüttung, Elektrobeschichtung und mehr.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Originalveröffentlichung

Seongjae Ko, Xiao Han, Tatau Shimada, Norio Takenaka, Yuki Yamada, Atsuo Yamada; "Electrolyte design for lithium-ion batteries with a cobalt-free cathode and silicon oxide anode"; Nature Sustainability, 2023-10-19

https://www.chemie.de/news/1181855/kobaltfreie-batterie-fuer-sauberen-umweltfreundlichen-strom.html