Neuer Batteriedurchbruch: Steinsalz-Polyanion-Kathoden

Neue Forschungen haben Fortschritte bei der Erhöhung der praktischen Energiedichte der Batterie gemacht.

Die Nachfrage nach Batterien steigt weltweit, dank ihres zunehmenden Einsatzes in der Automobilindustrie, der wachsenden Beliebtheit tragbarer Unterhaltungselektronik und strenger Umweltvorschriften. Infolgedessen wird der weltweite Batteriemarkt bis 2036 voraussichtlich 800 Milliarden US-Dollar erreichen, gegenüber etwa 120 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023.

Angesichts dieses erwarteten Wachstums entwickeln und testen Forscher kontinuierlich neue Materialien und Chemikalien, um kritische Teile von Batterien zu verbessern, die sich auf Eigenschaften wie Energieabgabe, Energiespeicherung, Leistungskapazität und Zyklenkapazität auswirken.

Zu diesen Komponenten gehören eine Kathode (positive Elektrode), eine Anode (negative Elektrode), ein Elektrolyt (für den Ionentransport zwischen Elektroden) und ein Separator.  

Die meisten batteriebetriebenen Geräte wie Elektrofahrzeuge, Smartphones und Energiespeichersysteme basieren heute auf der Lithium-Ionen-Batterietechnologie. Lithium-Ionen-Akkus können in kompakter Größe große Energiemengen speichern, schnell aufgeladen werden und lange halten.

Angesichts der wachsenden Nachfrage nach Batterien mit größerer Leistungsfähigkeit werden jedoch neue Technologien erforscht und entwickelt, um die Effizienz zu verbessern, Kosten zu senken, die Sicherheit zu erhöhen und die Nachhaltigkeit zu fördern.

Im Laufe der Jahre hat die kontinuierliche Forschung zu Fortschritten geführt, die vielversprechende Alternativen zu Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien bieten. 

Natrium-Ionen-Batterien bieten eine günstigere und sicherere Option, die bei niedrigeren Temperaturen eine bessere Leistung erbringt. Diese Batterien ähneln Lithium-Ionen-Batterien, nutzen jedoch Salzwasser als Elektrolyt, wodurch sie sich besser für die Energiespeicherung eignen, obwohl sie noch optimiert werden müssen. Forscher nutzen sogar Elektrolytgel, um Nanodrähte widerstandsfähiger und batterietauglicher zu machen. 

Festkörperbatterien hingegen verwenden einen festen Elektrolyten wie Glas, Keramik oder Polymer anstelle von Gel oder flüssigem Elektrolyten. Diese Akkus sind weitaus effizienter, wiegen weniger, laden schneller und werden bereits in Smartphones und Herzschrittmachern eingesetzt. Toyota und BMW arbeiten derzeit an der Einführung von Festkörperbatterie-Autos, allerdings wird es noch einige Jahre dauern.

Zu den neuen Batterietechnologien gehören außerdem Lithium-Schwefel-Batterien, die kosteneffizient sind, aber eine begrenzte Haltbarkeit haben, und kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterien, die dazu beitragen können, Menschenrechtsbedenken beim Kobaltabbau auszuräumen. Allerdings sind Alternativen wie TAQ noch neu und erfordern weitere Tests.

Zinkbasierte Batterien werden ebenfalls erforscht, wobei Technologien wie Zink-Mangandioxid-, Zink-Luft-, Zink-Brom- und Zink-Ionen-Batterien zum Einsatz kommen. Sie sind jedoch ineffizient, beinhalten manchmal unerwartete chemische Umwandlungsreaktionen und sind teuer in der Herstellung, was mehr Forschung erfordert.

Da die Welt zunehmend auf Batterien angewiesen ist, konzentrieren sich Wissenschaftler auf der ganzen Welt darauf, Durchbrüche bei Speicherzeiten, Leistungsabgabe, Produktionskosten und sofortiger Einsatzbereitschaft zu erzielen.

Neuester Batteriedurchbruch: Steinsalz-Polyanion-Kathoden 

Neue Forschungen haben Fortschritte bei der Erhöhung der praktischen Energiedichte der Batterie gemacht. Die Ende letzten Monats in Nature Energy veröffentlichte Studie mit dem Titel „Integrierte Steinsalz-Polyanion-Kathoden mit überschüssigem Lithium und stabilisiertem Kreislauf“ wurde von der MIT-Abteilung für Nuklearwissenschaft und -technik durchgeführt.

Die Studie konzentriert sich auf ein neues Kathodenmaterial, das in ungeordnetem Steinsalz gefunden wird und seit über einem Jahrzehnt als fortschrittliches Kathodenmaterial für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien untersucht wird. 

MIT-Forscher stellten sicher, dass das Material hochenergetische und kostengünstige Speicher für Elektrofahrzeuge, Mobiltelefone und Speicher für erneuerbare Energien schaffen kann.

Unter der Leitung von Ju Li, Professor für Nukleartechnik bei der Tokyo Electric Power Company, entdeckte das Team DRXPS oder ungeordneten Steinsalz-polyanionischen Spinell als neues Material.

Diese neue Kategorie teilweise ungeordneter Steinsalzkathoden mit integrierten Polyanionen liefert nachweislich eine hohe Energiedichte bei hohen Spannungen mit verbesserter Zyklenstabilität. Dies ist eine großartige Leistung, wenn man bedenkt, dass es bei Kathodenmaterialien typischerweise einen Kompromiss zwischen Energiedichte und Zyklenstabilität gibt.

„Mit dieser Arbeit wollen wir neue Maßstäbe setzen, indem wir neue Kathodenchemien entwickeln.“

– Yimeng Huang, der Erstautor des Artikels, Postdoc am NSE

Wie gelingt es der neuen Materialfamilie nun, sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine gute Zyklenstabilität zu erreichen? Die Antwort liegt in der Integration zweier wichtiger Kathodenmaterialien – Steinsalz und polyanionisches Olivin. Durch die Kombination konnten beide Vorteile genutzt werden.

Eine weitere Sache, die hier eine Rolle spielt, ist Mangan (Mn), ein hartes, silbriges Metall, das auf der Erde in großen Mengen vorkommt und viel billiger ist als andere Elemente, die derzeit in den heutigen Kathoden verwendet werden. 

Mangan ist beispielsweise etwa dreißigmal günstiger als Kobalt (Co) und fünfmal günstiger als Nickel (Ni), die beide häufig in Batterien verwendet werden. Darüber hinaus spielt Mangan eine entscheidende Rolle bei der Erzielung höherer Energiedichten. 

„Es ist ein enormer Vorteil, ein solches Material viel häufiger auf der Erde zu haben.“

– Li, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen

Dieser Vorteil ist den Forschern zufolge von großem Wert für eine CO2-freie Zukunft, die eine Infrastruktur für erneuerbare Energien erfordert. 

Batterien können eine wichtige Rolle spielen

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