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Tokyo University of Science

Umfassende Übersichtsstudie zu Kalium-Ionen-Akkus

27. Januar 2020, 16:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Umfassende Übersichtsstudie zu Kalium-Ionen-Akkus
© Tokyo University of Science

Lithium und Kobalt sind relativ selten. Deswegen suchen Batterieforscher nach alternativen Materialien, etwa Natrium und Kalium. In einem Übersichtsartikel erörtert Prof. Shinichi Komaba ausführlich seine Erkenntnisse über Fortschritte, Möglichkeiten und Grenzen von Kalium-Ionen-Akkus.

Bedenken über die Knappheit von Lithium und anderen Materialien, die in den heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus notwendig sind, haben in letzter Zeit viele Forscher dazu veranlasst, nach Alternativen wie Natrium und Kalium zu suchen. Prof. Shinichi Komaba von der Tokyo University of Science, Japan, und sein Team haben über ein Jahrzehnt lang an diesem Thema gearbeitet. In einem Übersichtsartikel, der nun in Chemical Reviews veröffentlicht worden ist, erörtert er nun ausführlich seine Erkenntnisse über die jüngsten Fortschritte, Möglichkeiten und Grenzen von Kalium-Ionen-Batterien.

Seit ihrer Markteinführung sind Lithium-Ionen-Akkus aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften die beliebtesten wiederaufladbaren Batterien. Doch mit dem damit verbundenen sprunghaften Anstieg ihrer Nachfrage und der begrenzten Verfügbarkeit von Lithium und Kobalt (ein weiteres notwendiges Element für solche Akkus) in der Erdkruste könnte die Verwendung von Li-Ion-Akkus bald zu einem ernst zu nehmenden Problem werden.

Tokyo University of Science, Batteries, Lithium Alternative, Potassium

Aus diesem Grund beschloss ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Komaba, den weniger genutzten Weg einzuschlagen: Sie konzentrierten sich darauf, das begrenzt verfügbare Element Lithium durch häufiger anzutreffende Alternativen wie Natrium und Kalium zu ersetzen. Natrium und Kalium gehören zur gleichen Alkalimetallgruppe im Periodensystem der Elemente wie Lithium, und ihre chemische Beschaffenheit ist daher recht ähnlich.

Im Jahr 2014 analysierte Prof. Komaba zusammen mit Prof. M. Stanley Whittingham, der 2019 den Chemie-Nobelpreis erhielt, den aktuellen Stand der Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien und veröffentlichte seine Einschätzungen als Rückblick. Dies wurde zu einer viel zitierten Studie, die allein in den letzten fünf Jahren über 2000 Mal zitiert wurde.

Anschließend untersuchten Komaba und sein Team eine andere gangbare Alternative, die Kalium-Ionen-Batterien. Nach einigen Studien (z. B. einer 2012 in Nature Materials veröffentlichten Studie), von denen einige von diesem Team durchgeführt wurden, rückten diese seit 2015 langsam in den Mittelpunkt umfangreicher Forschungen. Denn Kalium in Batterien zu verwenden ist vielversprechend, weil damit aufgebaute Batteriesysteme vergleichbare (oder sogar bessere) Leistungsdaten aufweisen als Li-Ion-Batterien. Darüber hinaus sind die für den Bau von Kalium-Ionen-Batterien erforderlichen Substanzen allesamt ungiftig und wesentlich häufiger zu finden.

In ihrem Bemühen, die Forschung über Kalium-Ionen-Batterien zu erleichtern, analysierte diese Forschergruppe diese nun in einer umfassenden Übersicht detailliert. Ihre Arbeit umfasst alles, was mit der Entwicklung von Kalium-Ionen-Batterien zu tun hat, von Kathoden- und Anodenmaterialien, verschiedenen Elektrolyten und Festkörper-Akkus bis hin zu Elektrodendotierung und Elektrolytzusätzen. Darüber hinaus vergleicht die Übersicht die verschiedenen Materialien, die in Lithium-, Natrium- und Kalium-Ionen-Batterien verwendet werden.

Da diese Studie mehrere Aspekte von Akkus umfassend analysiert, könnte sie sich als wirklich nützlich erweisen, um aktuelle und zukünftige Forschungen voranzutreiben. Umfassende Berichte über frühere Forschungen an Kalium-Ionen-Batterien und alle dadurch gewonnenen Erkenntnisse in einen einzigen Artikel zusammengefasst zu haben, ist für jeden, der sich mit diesem Forschungsthema befassen möchte, von immensem Wert.

»Wie die jüngsten umfassenden Forschungsarbeiten zeigen, gelten Kalium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie Kosteneffizienz, hoher Zellspannung und hoher Ausgangsleistung als vielversprechende Kandidaten für die Batterien der Zukunft. Weitere Leistungsverbesserungen würden den Weg für ihre Umsetzung in die Praxis ebnen«, erklärte Prof. Komaba.

Die Forschung über bestimmte Aspekte von Kalium-Ionen-Batterien, wie z. B. ihre Sicherheit, ist jedoch begrenzt. Somit sollte der Schwerpunkt darauf gelegt werden, mehr Einblick in die physikalischen und chemischen Vorgänge zwischen den verschiedenen Komponenten und Elementen zu erhalten.

Originalpublikation

Tomooki Hosaka

,

Kei Kubota

,

A. Shahul Hameed

, and

Shinichi Komaba,

Research Development on K-ion Batteries, Chemical Reviews, DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00463

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