Ein institutsübergreifendes Forschungsteam des Georgia Instituts für Technologie unter der Leitung von Hailong Chen hat eine neue, kostengünstige Kathode entwickelt, die Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) radikal verbessern könnte – und damit den Markt für Elektrofahrzeuge (EVs) und große Energiespeichersysteme verändern könnte.
„Seit langem wird nach einer kostengünstigeren und nachhaltigeren Alternative zu den bestehenden Kathodenmaterialien gesucht. Ich glaube, wir haben eine gefunden“, sagte Chen, der als Professor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering und an der School of Materials Science and Engineering tätig ist.
Eisenchlorid als Kathodenmaterial
Das Material, Eisenchlorid (FeCl3), kostet nur 1-2 Prozent der üblichen Kathodenmaterialien und kann die gleiche Menge Strom speichern. Kathodenmaterialien beeinflussen Kapazität, Energie und Effizienz und spielen eine wichtige Rolle für die Leistung, Lebensdauer und Erschwinglichkeit einer Batterie. „Unsere Kathode kann ein Wendepunkt sein“, sagt Chen, dessen Team seine Arbeit in Nature Sustainability beschreibt. „Sie würde den Markt für Elektrofahrzeuge – und den gesamten Markt für Lithium-Ionen-Batterien - erheblich verbessern.“
Erstmals von Sony in den frühen 1990er Jahren kommerzialisiert, lösten LIBs eine Explosion in der persönlichen Elektronik, wie Smartphones und Tablets, aus. Die Technologie entwickelte sich schließlich zu einer zuverlässigen, wiederaufladbaren und hochdichten Energiequelle für Elektrofahrzeuge. Doch im Gegensatz zur Unterhaltungselektronik reagieren Großverbraucher wie Elektrofahrzeuge besonders empfindlich auf die Kosten von LIBs. Die Batterien machen derzeit etwa 50 Prozent der Gesamtkosten eines Elektroautos aus, was diese Autos mit sauberer Energie teurer macht als ihre Vettern mit Verbrennungsmotor und Treibhausgasausstoß. Die Erfindung des Teams um Chen könnte das ändern.
Bau einer besseren Batterie
Im Vergleich zu altmodischen Alkali- und Bleibatterien speichern LIBs mehr Energie in einem kleineren Gehäuse und versorgen ein Gerät zwischen den Ladevorgängen länger mit Strom. Allerdings enthalten LIBs teure Metalle, darunter Halbedelsteine wie Kobalt und Nickel, und ihre Herstellungskosten sind hoch. Bisher wurden nur vier Arten von Kathoden für LIBs erfolgreich vermarktet. Die von Chen entwickelte Kathode wäre die fünfte und würde einen großen Schritt nach vorn in der Batterietechnologie bedeuten: die Entwicklung einer LIB in festem Zustand.
Herkömmliche LIBs verwenden flüssige Elektrolyte für den Transport von Lithium-Ionen zur Speicherung und Abgabe von Energie. Ihre Speicherkapazität ist stark begrenzt, und sie können auslaufen und Feuer fangen. All-Solid-State-LIBs hingegen verwenden feste Elektrolyte, was die Effizienz und Zuverlässigkeit einer Batterie drastisch erhöht und sie sicherer macht und in der Lage, mehr Energie zu speichern. Diese Batterien, die sich noch in der Entwicklungs- und Testphase befinden, würden eine erhebliche Verbesserung darstellen.
Während Forscher und Hersteller auf der ganzen Welt darum ringen, die Festkörpertechnologie in die Praxis umzusetzen, haben Chen und seine Mitarbeiter eine erschwingliche und nachhaltige Lösung entwickelt. Mit der FeCl3-Kathode, einem Festelektrolyten und einer Lithium-Metall-Anode liegen die Kosten für ihr gesamtes Batteriesystem bei 30-40 Prozent der aktuellen LIBs.
„Dies könnte nicht nur dazu führen, dass Elektroautos viel billiger werden als Autos mit Verbrennungsmotor, sondern auch zu einer neuen und vielversprechenden Form der Energiespeicherung in großem Maßstab, die die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes erhöht“, so Chen. „Darüber hinaus würde unsere Kathode die Nachhaltigkeit und die Stabilität der Lieferkette auf dem Markt für Elektrofahrzeuge erheblich verbessern.
Solider Start für neue Entdeckung
Chens Interesse an FeCl3 als Kathodenmaterial hat seinen Ursprung in der Forschung seines Labors zu Festelektrolytmaterialien. Ab 2019 versuchte sein Labor, Festkörperbatterien mit chloridbasierten Festelektrolyten und herkömmlichen kommerziellen oxidbasierten Kathoden herzustellen. Das hat nicht geklappt – die Kathoden- und Elektrolytmaterialien haben sich nicht vertragen. Die Forscher dachten, dass eine Kathode auf Chloridbasis eine bessere Verbindung mit dem Chloridelektrolyten eingehen könnte, um eine bessere Batterieleistung zu erzielen.
„Wir haben einen Kandidaten (FeCl3) gefunden, der es wert ist, ausprobiert zu werden, da seine Kristallstruktur potenziell für die Speicherung und den Transport von Ionen geeignet ist, und glücklicherweise funktionierte er so, wie wir es erwartet hatten“, sagte Chen.
Die derzeit am häufigsten verwendeten Kathoden in Elektroautos sind Oxide und erfordern eine riesige Menge an teurem Nickel und Kobalt, schweren Elementen, die giftig sein können und eine Herausforderung für die Umwelt darstellen. Im Gegensatz dazu enthält die Kathode des Chen-Teams nur Eisen (Fe) und Chlor (Cl) – reichlich vorhandene, kostengünstige und weit verbreitete Elemente, die in Stahl und Kochsalz vorkommen. In ersten Tests erwies sich FeCl3 als ebenso leistungsfähig oder sogar besser als die anderen, wesentlich teureren Kathoden. So weist es beispielsweise eine höhere Betriebsspannung auf als die häufig verwendete Kathode LiFePO4 (Lithium-Eisen-Phosphat oder LFP), also die elektrische Kraft, die eine Batterie liefert, wenn sie an ein Gerät angeschlossen ist, ähnlich wie der Wasserdruck aus einem Gartenschlauch.
Einbindung in den Markt
Diese Technologie ist möglicherweise weniger als fünf Jahre von der Marktreife für Elektrofahrzeuge entfernt. Vorerst wird das Team laut Chen die Untersuchung von FeCl3 und verwandten Materialien fortsetzen. Die Arbeit wurde von Chen und dem Postdoc Zhantao Liu (dem Hauptautor der Studie) geleitet. Zu den Mitarbeitern gehörten Forscher der Woodruff School der Georgia Tech (Ting Zhu) und der School of Earth and Atmospheric Sciences (Yuanzhi Tang) sowie des Oak Ridge National Laboratory (Jue Liu) und der University of Houston (Shuo Chen).
„Wir wollen die Materialien im Labor so perfekt wie möglich machen und die zugrunde liegenden Funktionsmechanismen verstehen“, so Chen. „Aber wir sind offen für Möglichkeiten, die Technologie zu erweitern und sie in Richtung kommerzieller Anwendungen voranzutreiben.“
