Universität von Kalifornien, Berkeley Lithium-Ionen-Akkus mit kobaltfreien Kathoden realisierbar

Gerbrand Ceder, professor in the 
Department of Materials Science and Engineering at UC Berkeley
Gerbrand Ceder, Professor am Institut für Materialwissenschaft und -technik der UC Berkeley

Lithium-basierte Akkus verbrauchen mehr als 50 Prozent des weltweit produzierten Kobalts. Ein Team von Forschern der Universität von Kalifornien, Berkeley, hat nun die Tür für die Verwendung anderer Metalle in Lithium-Ionen-Akkus aufgestoßen.

Etwa 50 Prozent des weltweiten Kobalts stammt aus dem Kongo, wo es größtenteils von Hand, teilweise von Kindern, geschürft wird. Doch jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität von Kalifornien, Berkeley, die Tür zur Verwendung anderer Metalle in Lithium-Batterien aufgestoßen und Kathoden mit 50 Prozent mehr Lithium-Speicherkapazität als herkömmliche Materialien gebaut.

»Wir haben einen neuen chemischen Spielraum für die Batterietechnik eröffnet«, sagt der leitende Autor Gerbrand Ceder, Professor am Institut für Materialwissenschaft und -technik in Berkeley. »Zum ersten Mal haben wir ein wirklich preisgünstiges chemisches Element, das einen hohen Austausch von Elektronen in Akkus zulässt.« Die Studie wurde in der Ausgabe vom 12. April der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der UC Berkeley, Berkeley Lab, Argonne National Lab, MIT und UC Santa Cruz.

In heutigen Lithium-Akkus werden Lithium-Ionen in Kathoden (der negativ geladenen Elektrode) gespeichert, die in einer Schichtstruktur aufgebaut sind. Das Kobalt ist ausschlaggebend für den Erhalt dieser Schichtstruktur. Wird ein Akku geladen, gelangen Lithium-Ionen von der Kathode auf die andere Seite der Zelle, die Anode. Das Fehlen von Lithium in der Kathode hinterlässt viel Zwischenraum. Die meisten Metallionen würden in diese Räume strömen, was dazu führen würde, dass die Kathode ihre Struktur verliert. Kobalt ist jedoch eines der wenigen Elemente, die sich nicht bewegen, was es für die Batteriebranche sehr unentbehrlich macht.

Im Jahr 2014 entdeckte Ceders Labor einen Weg, wie Kathoden ohne diese Schichtaufbau eine hohe Energiedichte beibehalten können, ein Konzept, das als ungeordnetes Steinsalz bezeichnet wird. Die neue Studie zeigt, wie Mangan im Rahmen dieses Konzepts eingesetzt werden kann, ein vielversprechender Schritt weg von der Abhängigkeit von Kobalt, da Mangan im Erdreich vorkommt und somit ein preisgünstiges Element ist.

Kathoden in einer ungeordneten Struktur statt einer geschichteten Struktur

»Um mit der Ressourcenknappheit von Kobalt zurechtzukommen, muss man von dieser geschichteten Kathode wegkommen«, sagt Ceder. »Ungeordnete Kathoden haben es uns ermöglicht, mit viel mehr Elementen aus dem Periodensystem zu spielen.«

In der neuen Studie zeigt Ceders Labor, wie neue Verfahren verwendet werden können, um viel Speicherkapazität aus einer Kathode zu erhalten. Mit einem Prozess namens Fluor-Dotierung haben die Wissenschaftler eine große Menge Mangan in die Kathode eingelagert. Wenn mehr Mangan-Ionen mit der richtigen Ladung vorhanden sind, können die Kathoden mehr Lithium-Ionen aufnehmen, wodurch die Akkukapazität steigt. Andere Forschergruppen haben ebenfalls versucht, Kathoden mit Fluor zu dotieren, aber ohne Erfolg. Ceder sagt, dass die Arbeit seines Labors an ungeordneten Strukturen ein wesentlicher Schlüssel für ihren Erfolg sei.

Die Leistungsfähigkeit einer Kathode wird in Energie pro Gewichtseinheit gemessen, also in Wattstunden pro Kilogramm. Die ungeordneten Mangankathoden näherten sich 1000 Wh/kg; typische Lithium-Ionen-Kathoden liegen im Bereich von 500 Wh/kg bis 700 Wh/kg.

»In der Welt der Batterien ist das eine enorme Verbesserung gegenüber herkömmlichen Kathoden«, sagte der Erstautor Jinhyuk Lee, der während der Studie Postdoktorand im Labor von Ceder war und jetzt Postdoktorand am MIT ist.

Das Verfahren muss weiter ausgebaut und getestet werden, um zu sehen, ob es in Anwendungen wie Laptops oder Elektrofahrzeugen geeignet ist. Unabhängig davon, ob diese Technologie es tatsächlich in eine Batterie schafft oder nicht, wichtig ist laut Professor Ceder, dass die Forscher neue Möglichkeiten für das Design von Kathoden aufgezeigt haben.

»Es ist jetzt möglich, so ziemlich jedes Element im Periodensystem zu verwenden, da wir bewiesen haben, dass Kathoden nicht geschichtet werden müssen«, sagt Ceder. »Auf einmal haben wir viel mehr chemische Freiräume. Ich denke, das ist die eigentliche Sensation, denn jetzt können wir neue Kathoden erforschen.«