Lithium-Ionen-Batterien gelten derzeit als eine der wichtigsten Methoden, um Energie zu speichern. Ihre Zusammensetzung bringt allerdings zahlreiche negative Aspekte mit sich. Eine neuartige Entwicklung könnte nun den Einsatz von Kobalt und Nickel in Lithium-Ionen-Batterien überflüssig machen und diese Probleme lösen.
Der Abbau von Kobalt und Nickel für die Batterieproduktion ist mit hohen Kosten, Umweltbelastungen sowie starken Preisschwankungen verbunden. Bisher sind diese Rohstoffe jedoch entscheidend für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien.
Diese finden inzwischen in vielen Bereichen des Alltags Anwendung. Ob im Smartphone, Tablet oder Elektroauto – Lithium-Ionen-Batterien sind heutzutage nahezu überall verbaut.
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Auch für die Energiewende gelten sie als entscheidender Faktor, beispielsweise für die Elektrifizierung des Straßenverkehrs oder die Speicherung von überschüssiger Energie aus Wind- und Sonnenenergie.
Prognosen zufolge wird die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien in den kommenden Jahren enorm ansteigen. Allein für die Verwendung in Elektrofahrzeugen könnte bis 2030 weltweit ein Bedarf in Höhe von zwei Terrawattstunden bestehen, was etwa zwei Drittel der Gesamtnachfrage betragen wird.
Um eine saubere und kostengünstige Versorgung in Zukunft sicherzustellen, ist die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien ohne Kobalt und Nickel notwendig. Forscher der kanadischen McGill University haben nun eine Möglichkeit gefunden, dies zu realisieren.
Lithium-Ionen-Batterien ohne Kobalt und Nickel
Die Forscher der McGill University haben zusammen mit Kollegen aus den USA und Südkorea eine Methode entwickelt, um ein alternatives Batteriematerial zu erstellen. Dabei handelt es sich um ungeordnete Steinsalz-Kathodenpartikel (DRX), die bislang zu instabil und somit ungeeignet für die Verwendung in der Fertigung waren.
Durch eine neue Fertigungsmethode ist es den Forschern nun gelungen, gleichmäßig große, hochkristalline Partikel herzustellen, die nicht nachbearbeitet werden müssen. „Unsere Methode ermöglicht die Massenproduktion von DRX-Kathoden mit gleichbleibender Qualität, was für ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen und der Speicherung erneuerbarer Energien unerlässlich ist“, erklärt Studienautor Jinhyuk Lee.
Die in Nature Communications veröffentlichten Studienergebnisse bieten demnach einen vielversprechenden Weg zu nachhaltigeren und kostengünstigeren Lithium-Ionen-Batterien. Diese wiederum seien „eine wichtige Komponente“ für die Elektrifizierung des Straßenverkehrs sowie die Nutzung erneuerbarer Energien.
Zweistufiges Salzschmelzverfahren ermöglicht bessere Kontrolle
Für ihre Untersuchung haben die Forscher ein zweistufiges Salzschmelzverfahren zur Synthese von DRX-Partikeln entwickelt. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Partikelbildung und verbessert so Qualität und Effizienz.
Den Forschern war es so möglich, batteriegeeignete Partikel mit einer Größe von weniger als 200 Nanometern herzustellen. Diese Größe wird als wichtig für die Leistungsfähigkeit dieser Materialien in Lithium-Ionen-Batterien angesehen.
„Wir haben die erste Methode entwickelt, mit der hochkristalline, gleichmäßig dispergierte DRX-Einzelpartikel direkt synthetisiert werden können, ohne dass nach der Synthese ein Mahlvorgang erforderlich ist“, so Lee. „Diese morphologische Kontrolle verbessert sowohl die Batterieleistung als auch die Konsistenz der großtechnischen DRX-Kathodenproduktion.“
Bei Tests in Batteriezellen konnten das so erstellte Material nach 100 Lade- und Entladezyklen noch 85 Prozent der Kapazität ausweisen. Das ist doppelt so viel wie bei der Nutzung älterer Methoden zur Herstellung von DRX-Partikeln.
Die Synthesestrategie ebne laut den Forschern den Weg für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation. Diese werden demnach nachhaltiger, erschwinglicher und einfacher in großem Maßstab herzustellen sein.
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