Batterie ohne problematisches Kobalt gebaut

Künstlerische Darstellung der Kathoden-Struktur der neuen Batterie (Illustration: mit.edu)

Cambridge (pte015/19.01.2024/11:30) - Das E-Auto der Zukunft bezieht seinen Strom aus Batterien, in denen das problematische Metall Kobalt fehlt. Forscher des Massachusetts Institute of Technology ( https://www.mit.edu ) (MIT) haben eine Kathode auf der Basis von organischen Materialien entwickelt und neben Kobalt auch auf Nickel verzichtet. Mircea Dincă konnte an einer Batterie mit der neuen Kathode nachweisen, dass sie Strom mit ähnlichen Geschwindigkeiten leiten kann wie Kobaltbatterien. Der neue Speicher hat außerdem eine vergleichbare Kapazität und lässt sich schneller aufladen als derzeit genutzte Lithium-Ionen-Batterien.

Neuer Werkstoff schont die Umwelt

"Unsere Batterie ist mit etablierten Technologien konkurrenzfähig und kann Kosten einsparen sowie menschliches Leid und Umweltprobleme verhindern, die mit dem Abbau der Metalle verbunden sind, die derzeit in Batterien verwendet werden. Die Batterie übersteht 2000 Lade- und Entladezyklen, ohne allzu viel Kapazität zu verlieren", sagt Dincă.

Nahezu alle E-Autos werden von Lithium-Ionen-Batterien angetrieben, die aufgeladen werden, wenn Lithium-Ionen von einer positiv geladenen Elektrode, der Kathode, zu einer negativ geladenen Elektrode, der Anode, fließen. Bei den meisten Lithium-Ionen-Batterien enthält die Kathode Kobalt, ein Metall, das eine hohe Stabilität und Energiedichte bietet.

Da es sich bei Kobalt um ein knappes Metall handelt, kann der Preis schwanken, und ein Großteil der weltweiten Vorkommen befindet sich in politisch instabilen Ländern. Kobalt wird meist unter gefährlichen Arbeitsbedingungen angebaut und es bleibt Giftmüll übrig, der das Land, die Luft und das Wasser rund um die Minen verunreinigt. "Kobaltbatterien können viel Energie speichern und verfügen über alle Leistungsmerkmale, die den Menschen wichtig sind. Allerdings wird der jetzt schon volatile Preis drastisch ansteigen, wenn sich der Anteil der E-Autos stark erhöht", meint Dincă.

Kobalt-Alternativen mit Nachteilen

Aufgrund der vielen Nachteile von Kobalt werden weltweit Alternativen gesucht. Möglich ist der Einsatz von Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), das einige Autohersteller bereits in E-Fahrzeugen einsetzen. Doch LFP hat nur etwa die Hälfte der Energiedichte von Kobalt-Nickel-Batterien. Eine weitere Option sind organische Materialien, doch die meisten konnten bisher nicht mit der Leitfähigkeit, Speicherkapazität und Lebensdauer kobalthaltiger Batterien mithalten. Wegen ihrer geringen Leitfähigkeit müssen solche Materialien mit Bindemitteln wie Polymeren gemischt werden, die die Speicherkapazität verringern.

Dincăs Kathode besteht aus organischen Molekülen mit dem unaussprechlichen Namen 2,3,5,6-Tetraamino-1,4-benzoquinone. Sie bilden eine graphitähnliche Struktur. Innerhalb der Moleküle befinden sich zudem chemische Gruppen, sogenannte Chinone, die als Elektronenreservoir dienen, und Amine, die dem Material helfen, starke Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. Diese machen das Material sehr stabil und gleichzeitig unlöslich. Das verhindert, dass sich das Material im Batterieelektrolyten auflöst, wie dies bei einigen organischen Materialien der Fall ist, was die Lebensdauer dramatisch verkürzt.

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