Was wäre, wenn ein gängiges Element statt eines knappen, teuren Elements eine Schlüsselkomponente in Batterien für Elektroautos wäre?

Eisen könnte der Schlüssel zu günstigeren, umweltfreundlicheren Lithium-Ionen-Batterien sein

28.05.2024

Eine von einem Chemieforscher der Oregon State University geleitete Kollaboration hofft, eine grüne Batterierevolution auszulösen, indem sie zeigt, dass Eisen anstelle von Kobalt und Nickel als Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann.

Die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichten Ergebnisse sind aus mehreren Gründen wichtig, so Xiulei "David" Ji von der Oregon State University.

"Wir haben die Reaktivität von Eisenmetall, dem billigsten Metallrohstoff, verändert", sagt er. "Unsere Elektrode kann eine höhere Energiedichte bieten als die modernen Kathodenmaterialien in Elektrofahrzeugen. Und da wir Eisen verwenden, dessen Kosten weniger als einen Dollar pro Kilogramm betragen können - ein kleiner Bruchteil von Nickel und Kobalt, die in den derzeitigen hochenergetischen Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar sind - sind die Kosten unserer Batterien potenziell viel niedriger."

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Zurzeit macht die Kathode 50 % der Kosten für die Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle aus, so Ji. Abgesehen von den wirtschaftlichen Aspekten würden eisenbasierte Kathoden eine größere Sicherheit und Nachhaltigkeit ermöglichen, fügte er hinzu.

Da immer mehr Lithium-Ionen-Batterien für die Elektrifizierung des Verkehrssektors hergestellt werden, ist die weltweite Nachfrage nach Nickel und Kobalt stark gestiegen. Ji weist darauf hin, dass die prognostizierte Verknappung von Nickel und Kobalt in einigen Jahrzehnten die derzeitige Batterieproduktion ausbremsen wird.

Hinzu kommt, dass die Energiedichte dieser Elemente bereits jetzt bis zur Obergrenze ausgereizt ist - würde sie noch weiter gesteigert, könnte der beim Aufladen freigesetzte Sauerstoff dazu führen, dass sich die Batterien entzünden - und dass Kobalt giftig ist, d. h. es kann Ökosysteme und Wasserquellen verseuchen, wenn es aus Mülldeponien ausgelaugt wird.

Wenn man das alles zusammennimmt, so Ji, ist die weltweite Suche nach neuen, nachhaltigeren Batteriechemien leicht zu verstehen.

Eine Batterie speichert Energie in Form von chemischer Energie und wandelt sie durch Reaktionen in die elektrische Energie um, die für den Betrieb von Fahrzeugen, Handys, Laptops und vielen anderen Geräten und Maschinen benötigt wird. Es gibt verschiedene Arten von Batterien, aber die meisten funktionieren nach demselben Prinzip und enthalten dieselben Grundbestandteile.

Eine Batterie besteht aus zwei Elektroden - der Anode und der Kathode, die in der Regel aus unterschiedlichen Materialien bestehen - sowie einem Separator und einem Elektrolyt, einem chemischen Medium, das den Fluss der elektrischen Ladung ermöglicht. Beim Entladen der Batterie fließen die Elektronen von der Anode in einen externen Stromkreis und sammeln sich dann an der Kathode.

In einer Lithium-Ionen-Batterie wird die Ladung, wie der Name schon sagt, über Lithium-Ionen transportiert, die sich während der Entladung durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode und während des Aufladens wieder zurück bewegen.

"Unsere auf Eisen basierende Kathode wird nicht durch einen Mangel an Ressourcen begrenzt sein", sagte Ji und erklärte, dass Eisen nicht nur das häufigste Element auf der Erde ist, sondern auch das am vierthäufigsten vorkommende Element in der Erdkruste. "Das Eisen wird uns erst ausgehen, wenn sich die Sonne in einen roten Riesen verwandelt".

Ji und Mitarbeiter mehrerer Universitäten und nationaler Laboratorien haben die Reaktivität des Eisens in ihrer Kathode erhöht, indem sie eine chemische Umgebung auf der Grundlage einer Mischung aus Fluor- und Phosphatanionen - Ionen, die negativ geladen sind - geschaffen haben.

Die Mischung, die als feste Lösung gründlich gemischt wird, ermöglicht die reversible Umwandlung - d. h. die Batterie kann wieder aufgeladen werden - einer feinen Mischung aus Eisenpulver, Lithiumfluorid und Lithiumphosphat in Eisensalze.

"Wir haben gezeigt, dass das Materialdesign mit Anionen die Obergrenze der Energiedichte für Batterien durchbrechen kann, die nachhaltiger sind und weniger kosten", sagte Ji. "Wir verwenden keine teureren Salze in Verbindung mit Eisen - nur die, die die Batterieindustrie bisher verwendet hat, und dann Eisenpulver. Um diese neue Kathode in Anwendungen einzusetzen, braucht man nichts anderes zu ändern - keine neuen Anoden, keine neuen Produktionslinien, kein neues Design der Batterie. Wir ersetzen nur eine Sache, nämlich die Kathode".

Die Speichereffizienz muss noch verbessert werden, so Ji. Derzeit steht nicht der gesamte Strom, der während des Ladevorgangs in die Batterie eingespeist wird, bei der Entladung zur Verfügung. Wenn diese Verbesserungen vorgenommen werden, und Ji geht davon aus, dass dies der Fall sein wird, wird das Ergebnis eine Batterie sein, die viel besser funktioniert als die derzeit verwendeten und dabei weniger kostet und umweltfreundlicher ist.

"Wenn in diese Technologie investiert wird, sollte es nicht lange dauern, bis sie kommerziell verfügbar ist", sagte Ji. "Wir brauchen die Visionäre der Industrie, um Ressourcen für dieses aufstrebende Gebiet bereitzustellen. Die Welt kann eine Kathodenindustrie haben, die auf einem Metall basiert, das im Vergleich zu Kobalt und Nickel fast kostenlos ist. Und während man sich bei Kobalt und Nickel wirklich anstrengen muss, um es zu recyceln, muss man Eisen nicht einmal recyceln - es wird einfach zu Rost, wenn man es liegen lässt."

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