Wie wäre es, wenn ein gewöhnliches Element anstelle von knappen, teuren Elementen eine Schlüsselkomponente in Elektroauto-Batterien wäre? Eine Zusammenarbeit, die von einem Chemieforscher der Oregon State University geleitet wird, hofft, eine grüne Batterierevolution auszulösen, indem sie zeigt, dass Eisen anstelle von Kobalt und Nickel als Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann.
Niedriger Kosten bei der Batterieproduktion
„Wir haben die Reaktivität von Eisenmetall, dem billigsten Metallrohstoff, verändert“, sagt Xiulei „David“ Ji, von der Oregon State University. „Unsere Elektrode kann eine höhere Energiedichte bieten als die modernen Kathodenmaterialien in Elektrofahrzeugen. Und da wir Eisen verwenden, dessen Kosten weniger als einen Dollar pro Kilogramm betragen können - ein kleiner Bruchteil von Nickel und Kobalt, die in den derzeitigen hochenergetischen Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar sind - sind die Kosten unserer Batterien potenziell viel niedriger.“
Zurzeit macht die Kathode 50 Prozent der Kosten für die Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle aus, laut Ji. Abgesehen von den wirtschaftlichen Aspekten würden eisenbasierte Kathoden eine größere Sicherheit und Nachhaltigkeit ermöglichen.
Da immer mehr Lithium-Ionen-Batterien für die Elektrifizierung des Verkehrssektors hergestellt werden, ist die weltweite Nachfrage nach Nickel und Kobalt stark gestiegen. Ji weist darauf hin, dass die prognostizierte Verknappung von Nickel und Kobalt in einigen Jahrzehnten die derzeitige Batterieproduktion ausbremsen wird.
Austausch von umweltschädlichen und giftigen Materialien
Hinzu kommt, dass die Energiedichte dieser Elemente bereits jetzt bis zur Obergrenze ausgereizt ist - würde sie noch weiter gesteigert, könnte der beim Aufladen freigesetzte Sauerstoff dazu führen, dass sich die Batterien entzünden - und Kobalt ist giftig, das heißt es kann Ökosysteme und Wasserquellen verseuchen, wenn es aus Mülldeponien ausgelaugt wird.
Wenn man das alles zusammennimmt, ist die weltweite Suche nach neuen, nachhaltigeren Batteriechemien leicht zu verstehen. Eine Batterie speichert Energie in Form von chemischer Energie und wandelt sie durch Reaktionen in die elektrische Energie um, die für den Betrieb von Fahrzeugen, Handys, Laptops und vielen anderen Geräten und Maschinen benötigt wird. Es gibt verschiedene Batterietypen, aber die meisten funktionieren nach dem gleichen Prinzip und enthalten die gleichen Grundbestandteile.
Eine Batterie besteht aus zwei Elektroden - der Anode und der Kathode, die in der Regel aus unterschiedlichen Materialien bestehen - sowie einem Separator und einem Elektrolyt, einem chemischen Medium, das den Fluss der elektrischen Ladung ermöglicht. Beim Entladen der Batterie fließen die Elektronen von der Anode in einen externen Stromkreis und sammeln sich dann an der Kathode.
Dieses Material wird der Erde nicht ausgehen
In einer Lithium-Ionen-Batterie wird die Ladung, wie der Name schon sagt, über Lithium-Ionen transportiert, die sich während der Entladung durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode und beim Aufladen wieder zurück bewegen.
„Unsere auf Eisen basierende Kathode wird nicht durch einen Mangel an Ressourcen begrenzt sein“, sagte Ji und erklärte, dass Eisen nicht nur das häufigste Element auf der Erde, gemessen an der Masse, ist, sondern auch das vierthäufigste Element in der Erdkruste. „Das Eisen wird uns erst ausgehen, wenn sich die Sonne in einen roten Riesen verwandelt.“
Ji und seine Kollegen von verschiedenen Universitäten und nationalen Laboren haben die Reaktivität von Eisen in ihrer Kathode erhöht, indem sie eine chemische Umgebung geschaffen haben, die auf einer Mischung aus Fluor- und Phosphatanionen basiert - das sind negativ geladene Ionen.
Neue Kathoden für die Batterieindustrie
Die Mischung, die als feste Lösung gründlich gemischt wird, ermöglicht die reversible Umwandlung - das heißt, die Batterie kann wieder aufgeladen werden - einer feinen Mischung aus Eisenpulver, Lithiumfluorid und Lithiumphosphat in Eisensalze.
„Wir haben gezeigt, dass das Materialdesign mit Anionen die Obergrenze der Energiedichte für Batterien durchbrechen kann, die nachhaltiger sind und weniger kosten“, sagte Ji. „Wir verwenden kein teureres Salz in Verbindung mit Eisen - nur das, was die Batterieindustrie bisher verwendet hat, und dann Eisenpulver. Um diese neue Kathode in Anwendungen einzusetzen, braucht man nichts anderes zu ändern - keine neuen Anoden, keine neuen Produktionslinien, kein neues Design der Batterie. Wir ersetzen nur eine Sache, nämlich die Kathode.“
Die Speichereffizienz muss, laut Ji noch verbessert werden. Derzeit geht ein Teil des Stroms, der während des Ladevorgangs in die Batterie eingespeist wird, bei der Entladung verloren. Wenn diese Verbesserungen vorgenommen werden, und Ji geht davon aus, dass dies der Fall sein wird, wird das Ergebnis eine Batterie sein, die viel besser funktioniert als die derzeit verwendeten und dabei weniger kostet und umweltfreundlicher ist.
Geringe Kosten und einfaches Recycling
„Wenn in diese Technologie investiert wird, sollte es nicht lange dauern, bis sie kommerziell verfügbar ist“, sagte Ji, der den Titel eines Bert und Emelyn Christensen Professors trägt. „Wir brauchen die Visionäre der Industrie, um Ressourcen für dieses aufstrebende Gebiet bereitzustellen. Die Welt kann eine Kathodenindustrie haben, die auf einem Metall basiert, das im Vergleich zu Kobalt und Nickel fast kostenlos ist. Und während man sich bei Kobalt und Nickel wirklich anstrengen muss, um es zu recyceln, muss man Eisen nicht einmal recyceln - es wird einfach zu Rost, wenn man es liegen lässt.“
Das Programm Basic Energy Sciences des US-Energieministeriums hat die Forschung finanziert, die von Tongchao Liu vom Argonne National Laboratory geleitet wurde und an der auch Mingliang Yu, Min Soo Jung und Sean Sandstrom von der Oregon State University beteiligt waren. Auch Wissenschaftler der Vanderbilt University, der Stanford University, der University of Maryland, des Lawrence Berkeley National Laboratory und des SLAC National Accelerator Laboratory waren mit an Bord.
