Neuartige Kathoden sind die Voraussetzungen für eine kobaltfreie Batteriezukunft

Kobalt spielt eine wichtige Rolle für die Leistung heutiger Lithiumbatterien, obwohl der Abbau des Materials bedeutet, dass die Arbeiter gefährlichen Bedingungen ausgesetzt werden und häufig die Naturlandschaften und die Wasserversorgung beeinträchtigen. Um die Abkehr von diesem seltenen und teuren Metall zu unterstützen, haben Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory eine alternative Batteriearchitektur auf Nickelbasis entwickelt, die ihrer Meinung nach einige wichtige Kriterien erfüllt.

Kobalt wird neben Nickel und Aluminium zum Aufbau der Kathodenkomponente heutiger Lithiumbatterien verwendet, macht aber aufgrund seiner Knappheit etwa die Hälfte der Materialkosten des gesamten Geräts aus. In Verbindung mit den oben dargelegten ökologischen und humanitären Bedenken bedeutet dies erhebliche Anstrengungen bei der Entwicklung alternativer Architekturen, und es stehen einige vielversprechende Möglichkeiten am Horizont.

IBM arbeitet an einer Lithiumbatterie, die Kobalt und andere Schwermetalle beseitigt und stattdessen Zutaten aus Meerwasser verwendet, während Tesla in China mit dem Verkauf von kobaltfreien Modellen 3 begonnen hat. Wir haben auch gesehen, wie Wissenschaftler darauf schauten Lithiumeisenphosphat als Alternative und Fügen Sie Mangan anstelle von Kobalt hinzu gleichzeitig die Energiedichte zu erhöhen.

Das Team des Oak Ridge National Laboratory hat an einer neuen Klasse von Kathoden namens NFA gearbeitet, die für Kathoden auf Nickel-, Eisen- und Aluminiumbasis steht. Dies ist ein Derivat von Lithium-Nickelat, das Wissenschaftler seit einiger Zeit als Kathodenmaterial untersuchen, aber nicht auf dem richtigen Rezept landen konnten.

„Lithiumnickelat ist seit langem als Material der Wahl für die Herstellung von Kathoden erforscht, leidet jedoch an intrinsischen strukturellen und elektrochemischen Instabilitäten“, sagt der Forschungsleiter Ilias Belharouak. „In unserer Forschung haben wir einen Teil des Nickels durch Eisen und Aluminium ersetzt, um die Stabilität der Kathode zu verbessern. Eisen und Aluminium sind kostengünstige, nachhaltige und umweltfreundliche Materialien. “

Die Tests des Teams an seiner neuen Kathode zeigten eine hohe Kapazität und die Fähigkeit, 88 Prozent dieser Kapazität nach 100 Zyklen beizubehalten. Die Forscher bauten auch eine Beutelzellenbatterie auf der Basis ihrer NFA-Kathode und stellten fest, dass es zwar einen Kompromiss bei der Stabilität gab, diese aber nach 72 Zyklen immer noch 200 Prozent ihrer Kapazität behielt.

Während die Forscher diese Ergebnisse als nur vorläufig beschreiben, glauben sie, dass das Design gut für eine kobaltfreie zukünftige Batterie ist, wobei die Kathode ähnlich wie bei herkömmlichen Batterien funktioniert, ohne teure, seltene Materialien zu verwenden. Sie stellen außerdem fest, dass die Herstellungstechnik in globale Kathodenherstellungsprozesse integriert werden kann, und untersuchen nun die Leistung der Kathode in Zellen mit größerem Format und das Potenzial für den Einsatz in Elektrofahrzeugen.

„Unsere Untersuchungen zum Lade- und Entladeverhalten von NFA haben gezeigt, dass diese Kathoden ähnliche elektrochemische Reaktionen wie Kathoden auf Kobaltbasis eingehen und ausreichend hohe spezifische Kapazitäten liefern, um die Anforderungen an die Batterieenergiedichte zu erfüllen“, sagt Belharouak.

Quelle:Neuartige Kathoden sind die Voraussetzungen für eine kobaltfreie Batteriezukunft (zephyrnet.com)