Neuer Aufbau von Kathoden macht Kobalt in Lithium-Ionen-Akkus überflüssig

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Mehr als die Hälfte des weltweit produzierten Kobalts wird für die Produktion von Lithium-Ionen-Akkus benötigt. Doch Kobalt ist teuer und die angebotenen Mengen knapp bemessen. Amerikanische Forscher haben eine Methode gefunden, durch die verschiedenste Materialien verwendet werden könnten.

Smartphone, Laptop und Elektoauto – ohne Akku sind sie nutzlos und für die verwendeten Lithium-Ionen-Akkus braucht man Kobalt. Das Element ist nicht nur teuer. Etwa 50 Prozent des weltweiten Kobalts stammt aus dem Kongo, wo es größtenteils mühsam von Hand, teilweise von Kindern, abgebaut wird. Deshalb sind Wissenschaftler weltweit auf der Suche nach günstigen, effizienten Alternativen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of California, Berkeley, haben nun einen neuen Weg gefunden, andere, günstigere Metalle in Lithium-Ionen-Akkus anzuwenden und so Kathoden mit bis zu 50 Prozent mehr Lithium-Speicherkapazität gebaut.

„Wir haben einen neuen chemischen Raum für Akku-Technologien erschlossen“, sagt Seniorautor Gerbrand Ceder, Professor am Department of Materials Science and Engineering in Berkeley. „Zum ersten Mal haben wir ein wirklich billiges Element an der Hand, das einen regen Elektronenaustausch in Akkus ermöglicht.“ Die Studie war eine Kooperation zwischen Wissenschaftlern der UC Berkeley, des Berkeley Lab, Argonne National Lab, MIT und der UC Santa Cruz.

Kathoden ohne geschichtete Struktur

In heutigen Lithium-Akkus werden Lithium-Ionen in Kathoden (der negativ geladenen Elektrode) gespeichert. Die Kathoden haben eine geschichtete Struktur und Kobalt ist entscheidend für den Erhalt dieser Schichtstruktur. Wenn ein Akku aufgeladen wird, werden Lithium-Ionen von der Kathode in die andere Seite der Batteriezelle, die Anode, gezogen. Das Fehlen von Lithium in der Kathode lässt viel Platz. Die meisten Metallionen würden in diesen Raum strömen, was dazu führen würde, dass die Kathode ihre Struktur verliert. Aber Kobalt ist eines der wenigen Elemente, das sich nicht bewegt, weswegen es entscheidend für die Batterieindustrie ist.

2014 entdeckte Ceders Labor einen Weg, wie Kathoden auch ohne diese Schichten eine hohe Energiedichte aufrechterhalten können – ein Konzept, das im Englischen auch blumig „disordered rock salts“ (ungeordnetes Steinsalz) genannt wird. Die aktuelle Studie zeigt nun, wie Mangan innerhalb dieses Konzepts wirken kann, was ein vielversprechender Schritt weg von der Kobalt-Abhängigkeit ist. „Um mit der Ressourcenproblematik von Kobalt umzugehen, muss man sich von dieser Schichtung in Kathoden lösen“, sagte Ceder.

Große Steigerung der Kathodenleistung möglich

Die Verwendung von Mangan in Batterien ist alles andere als neu. Mangan hat den Vorteil, dass es in großen Mengen abgebaut wird und billig ist. Die Studie zeigt, wie mit Hilfe neuer Technologien, mehr Kapazität aus einer Kathode gewonnen werden kann. Mit einem Verfahren namens Fluor-Dotierung haben die Wissenschaftler große Mengen Mangan in die Kathode eingebracht. Wenn mehr Mangan-Ionen mit der richtigen Ladung vorhanden sind, können die Kathoden mehr Lithium-Ionen aufnehmen, wodurch die Kapazität der Akkus erhöht wird.

Die Kathodenleistung wird in Energie pro Gewichtseinheit gemessen – Wattstunden pro Kilogramm. Die ungeordneten Mangan-Kathoden näherten sich 1.000 Wattstunden pro Kilogramm. Typische Lithium-Ionen-Kathoden liegen dagegen im Bereich von 500-700 Wattstunden pro Kilogramm. Auch andere Forschergruppen haben bereits mit diesem Verfahren Versuche unternommen, waren aber nicht erfolgreich. Ceder ist überzeugt seine frühere Arbeit an den ungeordneten Strukturen war der Schlüssel zum Erfolg.

„In der Welt der Akkumulatoren ist das eine enorme Verbesserung gegenüber herkömmlichen Kathoden“, sagte der Hauptautor Jinhyuk Lee, der während der Studie Postdoktorand im Labor von Ceder war und jetzt Postdoktorand am MIT ist. Die Technologie muss weiter getestet werden, um zu sehen, ob sie auch in Akkus für Laptops oder Elektrofahrzeuge eingesetzt werden kann. Aber für Ceder ist dies eher zweitrangig. Egal, ob diese Technologie tatsächlich in der Zukunft in großen Stückzahlen verwendet wird oder nicht – die Forscher haben neue Möglichkeiten für das Design von Kathoden eröffnet, was in seinen Augen viel wichtiger ist.

„Sie können damit so ziemlich jedes Element im Periodensystem verwenden, weil wir gezeigt haben, dass Kathoden nicht geschichtet werden müssen“, sagte Ceder. „Plötzlich haben wir viel mehr chemische Freiheiten. Ich denke, das ist die wahre Errungenschaft, denn jetzt können wir neue Kathoden erforschen.“

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