Batterien der nächsten Generation könnten kobaltfrei sein und länger halten

22.01.2024

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Im Zuge der Umstellung auf "grünere" Energiequellen steigt die Nachfrage nach wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien sprunghaft an. Ihre Kathoden enthalten jedoch in der Regel Kobalt - ein Metall, dessen Gewinnung mit hohen ökologischen und gesellschaftlichen Kosten verbunden ist. In der Zeitschrift ACS Central Science berichten Forscher nun über die Bewertung eines auf der Erde reichlich vorhandenen Kathodenmaterials auf Kohlenstoffbasis, das Kobalt und andere knappe und giftige Metalle ersetzen könnte, ohne die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu beeinträchtigen.

Lithium-Ionen-Batterien treiben heute alles an, von Handys über Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen. Einer der limitierenden Faktoren für die weltweite Umstellung auf Energie aus erneuerbaren Quellen - insbesondere für den Übergang von benzinbetriebenen Autos zu Elektrofahrzeugen - ist die Knappheit und der schwierige Abbau von Metallen wie Kobalt, Nickel und Magnesium, die bei der Herstellung von Kathoden für wiederaufladbare Batterien verwendet werden. Frühere Forscher haben Kathoden aus häufiger vorkommenden und kostengünstigeren kohlenstoffhaltigen Materialien wie Organoschwefel- und Carbonylverbindungen entwickelt, aber diese Prototypen konnten die Energieausbeute und Stabilität herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien nicht erreichen.

Daher wollten Mircea Dincă und seine Kollegen herausfinden, ob andere kohlenstoffbasierte Kathodenmaterialien erfolgreicher sein könnten. Mit Bis-Tetraaminobenzochinon (TAQ) haben sie möglicherweise einen würdigen Kandidaten gefunden. TAQ-Moleküle bilden geschichtete Festkörperstrukturen, die potenziell mit der Leistung herkömmlicher Kathoden auf Kobaltbasis konkurrieren können.

Aufbauend auf ihren früheren Arbeiten, die die Wirksamkeit von TAQ als Superkondensatormaterial zeigten, testete das Team von Dincă die Verbindung in einer Kathode für Lithium-Ionen-Batterien. Um die Zyklenstabilität zu verbessern und die Haftung von TAQ am Edelstahl-Stromabnehmer der Kathode zu erhöhen, fügten sie der TAQ-Kathode zellulose- und gummihaltige Materialien hinzu. In der Proof-of-Concept-Demonstration der Forscher wurde die neue Verbundkathode mehr als 2.000 Mal sicher zykliert, lieferte eine höhere Energiedichte als die meisten kobaltbasierten Kathoden und wurde in nur sechs Minuten geladen und entladen. Die TAQ-basierten Kathoden müssen noch weiter getestet werden, bevor sie auf den Markt kommen, aber die Forscher sind optimistisch, dass sie die hochenergetischen, langlebigen und schnell aufladbaren Batterien ermöglichen könnten, die benötigt werden, um den globalen Übergang zu einer kobalt- und nickelfreien Zukunft der erneuerbaren Energien zu beschleunigen.

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Originalveröffentlichung

Tianyang Chen, Harish Banda, Jiande Wang, Julius J. Oppenheim, Alessandro Franceschi, Mircea Dincǎ; "A Layered Organic Cathode for High-Energy, Fast-Charging, and Long-Lasting Li-Ion Batteries"; ACS Central Science, 2024-1-18

https://www.chemie.de/news/1182519/batterien-der-naechsten-generation-koennten-kobaltfrei-sein-und-laenger-halten.html