29.06.2021 - Lawrence Berkeley National Laboratory

Wie man Lithium-Ionen-Batterien unbesiegbar macht

Forscher entwickeln eine Familie von Kathodenmaterialien, die alle Vorteile herkömmlicher Lithiumbatterien haben, aber ohne die Versorgungseinschränkungen

In unserer zukünftigen elektrifizierten Welt wird der Bedarf an Batteriespeichern enorm sein und bis 2030 eine jährliche Batterieproduktion von 2 bis 10 Terawattstunden (TWh) erreichen - heute sind es weniger als 0,5 TWh. Allerdings wachsen die Bedenken, ob die wichtigsten Rohstoffe ausreichen werden, um diesen zukünftigen Bedarf zu decken. Die Lithium-Ionen-Batterie - die dominierende Technologie für die absehbare Zukunft - hat eine Komponente aus Kobalt und Nickel, und diese beiden Metalle sind auf dem Weltmarkt mit starken Versorgungsengpässen konfrontiert.

Nach mehreren Jahren der Forschung unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben Wissenschaftler nun bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Batteriekathoden gemacht, die eine neue Klasse von Materialien verwenden, die Batterien mit der gleichen, wenn nicht sogar einer höheren Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen, aber aus preiswerten und reichlich vorhandenen Metallen hergestellt werden können. Bekannt als DRX, was für ungeordnete Steinsalze mit Lithiumüberschuss steht, wurde diese neuartige Materialfamilie vor weniger als 10 Jahren erfunden und ermöglicht die Herstellung von Kathoden ohne Nickel oder Kobalt.

"Die klassische Lithium-Ionen-Batterie hat uns gute Dienste geleistet, aber mit Blick auf die zukünftigen Anforderungen an die Energiespeicherung birgt ihre Abhängigkeit von bestimmten kritischen Mineralien nicht nur Risiken in der Lieferkette, sondern auch ökologische und soziale Probleme", sagt Ravi Prasher, Associate Lab Director for Energy Technologies bei Berkeley Lab. "Mit DRX-Materialien haben Lithiumbatterien das Potenzial, die Grundlage für nachhaltige Batterietechnologien der Zukunft zu bilden."

Die Kathode ist eine der beiden Elektroden in einer Batterie und macht mehr als ein Drittel der Kosten einer Batterie aus. Derzeit verwendet die Kathode in Lithium-Ionen-Batterien eine Klasse von Materialien, die als NMC bekannt sind, mit Nickel, Mangan und Kobalt als Hauptbestandteile.

"Ich forsche seit über 20 Jahren an Kathoden und habe nach neuen Materialien gesucht, und DRX ist bei weitem das beste neue Material, das ich je gesehen habe", sagte der Berkeley Lab-Batteriewissenschaftler Gerbrand Ceder, der die Forschung mit leitet. "Mit der aktuellen NMC-Klasse, die sich nur auf Nickel, Kobalt und eine inaktive Komponente aus Mangan beschränkt, ist die klassische Lithium-Ionen-Batterie am Ende ihrer Leistungskurve, es sei denn, man geht zu neuen Kathodenmaterialien über, und das ist es, was das DRX-Programm bietet. DRX-Materialien haben eine enorme Flexibilität in der Zusammensetzung - und das ist sehr mächtig, denn man kann nicht nur alle Arten von reichlich vorhandenen Metallen in einer DRX-Kathode verwenden, sondern man kann auch jede Art von Metall verwenden, um jedes Problem zu beheben, das in den frühen Phasen der Entwicklung neuer Batterien auftauchen könnte. Das ist der Grund, warum wir so begeistert sind."

Risiken in der Kobalt- und Nickel-Lieferkette

Das U.S. Department of Energy (DOE) hat es zu einer Priorität gemacht, Wege zu finden, um die Verwendung von Kobalt in Batterien zu reduzieren oder zu eliminieren. "Die Batterieindustrie steht vor einer enormen Ressourcenknappheit", sagte Ceder. "Selbst bei 2 TWh, dem unteren Bereich der globalen Bedarfsprognosen, würde das fast die gesamte heutige Nickelproduktion verbrauchen, und bei Kobalt sind wir nicht einmal in der Nähe. Die heutige Kobaltproduktion beträgt nur etwa 150 Kilotonnen, und für 2 TWh Batteriestrom wären 2.000 Kilotonnen Nickel und Kobalt in irgendeiner Kombination erforderlich."

Hinzu kommt, dass mehr als zwei Drittel der weltweiten Nickelproduktion derzeit für die Herstellung von rostfreiem Stahl verwendet werden. Und mehr als die Hälfte der weltweiten Kobaltproduktion stammt aus der Demokratischen Republik Kongo, wobei Russland, Australien, die Philippinen und Kuba die Top-5-Produzenten von Kobalt abrunden.

Im Gegensatz dazu können DRX-Kathoden so gut wie jedes Metall anstelle von Nickel und Kobalt verwenden. Die Wissenschaftler am Berkeley Lab haben sich auf die Verwendung von Mangan und Titan konzentriert, die sowohl häufiger vorkommen als auch kostengünstiger sind als Nickel und Kobalt.

"Manganoxid und Titanoxid kosten weniger als 1 $ pro Kilogramm, während Kobalt etwa 45 $ pro Kilogramm und Nickel etwa 18 $ kostet", sagte Ceder. "Mit DRX haben Sie das Potenzial, sehr preiswerte Energiespeicher herzustellen. An diesem Punkt wird Lithium-Ionen unschlagbar und kann überall eingesetzt werden - für Fahrzeuge, das Stromnetz - und wir können die Energiespeicherung wirklich im Überfluss und kostengünstig machen."

Geordnet vs. ungeordnet

Ceder und sein Team entwickelten DRX-Materialien im Jahr 2014. In Batterien entscheidet die Anzahl und Geschwindigkeit der Lithium-Ionen, die in die Kathode gelangen können, darüber, wie viel Energie und Leistung die Batterie hat. In herkömmlichen Kathoden wandern die Lithium-Ionen auf wohldefinierten Wegen durch das Kathodenmaterial und ordnen sich zwischen den Übergangsmetallatomen (meist Kobalt und Nickel) in sauberen, geordneten Schichten an.

Was Ceders Gruppe entdeckte, war, dass eine Kathode mit einer ungeordneten atomaren Struktur mehr Lithium aufnehmen kann - was mehr Energie bedeutet - und gleichzeitig eine breitere Palette von Elementen als Übergangsmetall zulässt. Sie lernten auch, dass innerhalb dieses Chaos Lithium-Ionen leicht herumspringen können.

Im Jahr 2018 stellte das Vehicle Technologies Office im DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy dem Berkeley Lab Mittel zur Verfügung, um einen "Deep Dive" in DRX-Materialien zu unternehmen. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Oak Ridge National Laboratory, des Pacific Northwest National Laboratory und der UC Santa Barbara haben die Teams des Berkeley Lab unter der Leitung von Ceder und Guoying Chen enorme Fortschritte bei der Optimierung von DRX-Kathoden in Lithium-Ionen-Batterien gemacht.

Zum Beispiel war die Laderate - oder wie schnell sich die Batterie aufladen lässt - dieser Materialien anfangs sehr niedrig, und auch die Stabilität war schlecht. Das Forschungsteam hat Wege gefunden, diese beiden Probleme durch Modellierung und Experimente zu lösen. Studien zur Verwendung von Fluorierung zur Verbesserung der Stabilität wurden in Advanced Functional Materials und Advanced Energy Materials veröffentlicht; Forschungen zur Ermöglichung einer hohen Ladegeschwindigkeit wurden kürzlich in Nature Energy veröffentlicht.

Da DRX mit vielen verschiedenen Elementen hergestellt werden kann, haben die Forscher auch daran gearbeitet, welches Element am besten geeignet ist, um den Sweet Spot zu treffen, d.h. reichlich vorhanden, kostengünstig und mit guter Leistung. "DRX ist jetzt mit fast dem gesamten Periodensystem synthetisiert worden", sagte Ceder.

"Dies ist Wissenschaft vom Feinsten - fundamentale Entdeckungen, die als Grundlage für Systeme in zukünftigen Häusern, Fahrzeugen und Stromnetzen dienen werden", sagte Noel Bakhtian, Direktor des Berkeley Lab's Energy Storage Center. "Was das Berkeley Lab seit Jahrzehnten so erfolgreich in der Batterieinnovation macht, ist unsere Kombination aus Breite und Tiefe der Expertise - von der Grundlagenforschung über die Charakterisierung, Synthese und Herstellung bis hin zur Energiemarkt- und Politikforschung. Zusammenarbeit ist der Schlüssel - wir arbeiten mit der Industrie und darüber hinaus zusammen, um reale Probleme zu lösen, was wiederum dazu beiträgt, die weltweit führende Wissenschaft, die wir am Lab betreiben, zu beflügeln."

Schneller Fortschritt

Neue Batteriematerialien haben traditionell 15 bis 20 Jahre bis zur Kommerzialisierung gebraucht; Ceder glaubt, dass der Fortschritt bei DRX-Materialien mit einem größeren Team beschleunigt werden kann. "Wir haben in den letzten drei Jahren mit dem Deep Dive große Fortschritte gemacht", so Ceder. "Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass wir für ein größeres Team bereit sind, damit wir Leute mit einem breiteren Spektrum an Fähigkeiten einbeziehen können, um die Sache wirklich zu verfeinern."

Ein erweitertes Forschungsteam könnte die verbleibenden Probleme schnell angehen, einschließlich der Verbesserung der Zykluslebensdauer (oder der Anzahl der Auf- und Entladungen der Batterie während ihrer Lebensdauer) und der Optimierung des Elektrolyten, des chemischen Mediums, das den Fluss der elektrischen Ladung zwischen der Kathode und der Anode ermöglicht. Seit der Entwicklung in Ceders Labor haben auch Gruppen in Europa und Japan große DRX-Forschungsprogramme gestartet.

"Fortschritte in der Batterietechnologie und der Energiespeicherung erfordern kontinuierliche Durchbrüche in der grundlegenden Wissenschaft der Materialien", sagte Jeff Neaton, Berkeley Labs Associate Lab Director for Energy Sciences. "Das Fachwissen des Berkeley Labs, seine einzigartigen Einrichtungen und Fähigkeiten in den Bereichen fortschrittliche Bildgebung, Berechnung und Synthese ermöglichen es uns, Materialien auf der Skala von Atomen und Elektronen zu untersuchen. Wir sind gut aufgestellt, um die Entwicklung von vielversprechenden Materialien wie DRX für saubere Energie zu beschleunigen."

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