Kobaltfreie Batterien könnten zukünftig Autos antreiben.

20. Januar 2024

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Von Anne Trafton, Massachusetts Institute of Technology

Viele Elektrofahrzeuge werden von Batterien mit Kobalt betrieben - einem Metall, das hohe finanzielle, Umwelt- und soziale Kosten verursacht.

Forscher des MIT haben nun ein Batteriematerial entwickelt, das eine nachhaltigere Möglichkeit zur Stromversorgung von Elektroautos bieten könnte. Die neue Lithium-Ionen-Batterie enthält eine Kathode auf Basis organischer Materialien anstelle von Kobalt oder Nickel (ein weiteres Metall, das häufig in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird).

In einer neuen Studie haben die Forscher gezeigt, dass dieses Material, das zu deutlich geringeren Kosten als kobalthaltige Batterien hergestellt werden kann, den Strom ähnlich gut leiten kann wie Kobaltbatterien. Die neue Batterie hat auch eine vergleichbare Speicherkapazität und kann schneller aufgeladen werden als Kobaltbatterien, berichten die Forscher.

"Ich glaube, dieses Material könnte einen großen Einfluss haben, weil es sehr gut funktioniert", sagt Mircea Dincă, der W.M. Keck Professor für Energie am MIT. "Es ist bereits wettbewerbsfähig mit etablierten Technologien und kann eine Menge Kosten, Probleme und Umweltfragen im Zusammenhang mit dem Abbau der Metalle einsparen, die derzeit in Batterien verwendet werden."

Dincă ist der leitende Autor der Studie, die heute (18. Januar) in der Zeitschrift ACS Central Science veröffentlicht wurde. Tianyang Chen Ph.D. '23 und Harish Banda, ein ehemaliger Postdoc am MIT, sind die Hauptautoren des Artikels. Weitere Autoren sind Jiande Wang, ein Postdoc am MIT; Julius Oppenheim, ein Doktorand am MIT; und Alessandro Franceschi, ein Research Fellow an der Universität Bologna.

Die meisten Elektroautos werden von Lithium-Ionen-Batterien betrieben, einem Batterietyp, der aufgeladen wird, wenn Lithium-Ionen von einer positiv geladenen Elektrode, der Kathode, zu einer negativ geladenen Elektrode, der Anode, fließen. In den meisten Lithium-Ionen-Batterien enthält die Kathode Kobalt, ein Metall, das eine hohe Stabilität und Energiedichte bietet.

Allerdings hat Kobalt erhebliche Nachteile. Als ein seltener Rohstoff kann sich sein Preis dramatisch schwanken, und die meisten Kobaltvorkommen der Welt befinden sich in politisch instabilen Ländern. Die Gewinnung von Kobalt schafft gefährliche Arbeitsbedingungen und erzeugt giftige Abfälle, die die umliegenden Minenflächen, Luft und Gewässer kontaminieren.

"Kobaltbatterien können viel Energie speichern und haben alle Merkmale, die Menschen in Bezug auf Leistung schätzen, aber sie sind nicht weit verbreitet erhältlich, und die Kosten schwanken stark mit den Rohstoffpreisen. Wenn man in einen viel höheren Anteil von elektrifizierten Fahrzeugen auf dem Verbrauchermarkt übergeht, wird es sicherlich teurer", sagt Dincă.

Aufgrund der vielen Nachteile von Kobalt wurden viele Forschungsarbeiten unternommen, um alternative Batteriematerialien zu entwickeln. Ein solches Material ist Lithium-Eisenphosphat (LFP), das von einigen Automobilherstellern in Elektrofahrzeugen verwendet wird. Obwohl immer noch praktisch nutzbar, hat LFP nur etwa die Hälfte der Energiedichte von Kobalt- und Nickelbatterien.

Eine weitere attraktive Option sind organische Materialien, aber bisher waren die meisten dieser Materialien nicht in der Lage, die Leitfähigkeit, Speicherkapazität und Lebensdauer von kobalthaltigen Batterien zu erreichen. Aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit müssen solche Materialien in der Regel mit Bindemitteln wie Polymeren gemischt werden, die ihnen helfen, ein leitfähiges Netzwerk aufrechtzuerhalten. Diese Bindemittel, die mindestens 50 Prozent des Gesamtmaterials ausmachen, verringern die Speicherkapazität der Batterie.

Vor etwa sechs Jahren begann das Labor von Dincă im Rahmen eines von Lamborghini finanzierten Projekts mit der Entwicklung einer organischen Batterie, die zur Stromversorgung von Elektroautos verwendet werden könnte. Bei der Arbeit an porösen Materialien, die teilweise organisch und teilweise anorganisch waren, erkannten Dincă und seine Studenten, dass ein vollständig organisches Material, das sie hergestellt hatten, ein starker Leiter sein könnte.

Dieses Material besteht aus vielen Schichten von TAQ (Bis-Tetraaminobenzochinon), einem organischen kleinen Molekül, das drei verschmolzene sechseckige Ringe enthält. Diese Schichten können sich in alle Richtungen ausdehnen und eine Struktur ähnlich wie Graphit bilden. Innerhalb der Moleküle befinden sich chemische Gruppen namens Chinone, die die Elektronenreservoirs sind, und Amine, die dem Material helfen, starke Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden.

Diese Wasserstoffbrückenbindungen machen das Material hochstabil und auch sehr unlöslich. Diese Unlöslichkeit ist wichtig, da sie verhindert, dass das Material in den Batterieelektrolyten auflöst, wie es bei einigen organischen Batteriematerialien der Fall ist, wodurch seine Lebensdauer verlängert wird.

'One of the main methods of degradation for organic materials is that they simply dissolve into the battery electrolyte and cross over to the other side of the battery, essentially creating a short circuit. If you make the material completely insoluble, that process doesn't happen, so we can go to over 2,000 charge cycles with minimal degradation,' Dincă says.

Tests of this material showed that its conductivity and storage capacity were comparable to that of traditional cobalt-containing batteries. Also, batteries with a TAQ cathode can be charged and discharged faster than existing batteries, which could speed up the charging rate for electric vehicles.

To stabilize the organic material and increase its ability to adhere to the battery's current collector, which is made of copper or aluminum, the researchers added filler materials such as cellulose and rubber. These fillers make up less than one-tenth of the overall cathode composite, so they don't significantly reduce the battery's storage capacity.

These fillers also extend the lifetime of the battery cathode by preventing it from cracking when lithium ions flow into the cathode as the battery charges.

The primary materials needed to manufacture this type of cathode are a quinone precursor and an amine precursor, which are already commercially available and produced in large quantities as commodity chemicals. The researchers estimate that the material cost of assembling these organic batteries could be about one-third to one-half the cost of cobalt batteries.

Lamborghini has licensed the patent on the technology. Dincă's lab plans to continue developing alternative battery materials and is exploring possible replacement of lithium with sodium or magnesium, which are cheaper and more abundant than lithium.

Journal information: ACS Central Science

Provided by Massachusetts Institute of Technology

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.