Prototyp mit neuer Zellchemie 02.11.2023, 11:03 Uhr

Löst diese kobaltfreie Batterie einige dringende Probleme?

Kobalt zählt zu den kritischen Rohstoffen und wird oft unter zweifelhaften Bedingungen abgebaut. Forschende haben nun eine kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, die dennoch vielversprechende Leistungen erreicht.

Lithium-Ionen-Batterie

Japanische Forschende haben eine kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterie mit erstaunlicher Leistungsfähigkeit entwickelt.

Foto: Panthermedia.net/firefox (Symbolfoto)

Ob Laptop oder E-Auto, Lithium-Ionen-Batterien sind aus der modernen Akkutechnik nicht wegzudenken. Die Kathoden dieser Batterien bestehen meist aus den drei Metallen Nickel, Mangan und Kobalt. Letzteres droht im Zuge der Energiewende knapp zu werden und wird zudem oft unter zweifelhaften Bedingungen in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut – Stichwort Kinderarbeit.

Bislang galt das giftige Material als unverzichtbar, da es sehr gut mit Lithium reagiert und die Leitfähigkeit sowie die strukturelle Integrität der Kathoden verbessert. Gleichwohl hat der Kobaltanteil in Lithium-Ionen-Batterien in den vergangenen Jahren stetig abgenommen. Nun hat ein Forschungsteam aus Tokio einen Akku entwickelt, der ganz ohne Kobalt auskommt und dennoch ansprechende Leistungen erzielt. Das gab es nach Meinung der Forschenden bislang noch nicht.

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Kobaltanteil in Lithium-Ionen-Akkus sinkt stetig

In den vergangenen Jahren wurde aus genannten Gründen der Kobaltanteil in Lithium-Ionen-Akkus stetig reduziert – von einem Drittel über ein Fünftel bis auf ein Zehntel. Nun ist es einer Forschungsgruppe der University of Tokyo gelungen, das giftige Metall ganz zu verbannen. Das haben auch andere bereits geschafft, allerdings soll die nun erprobte Batterie wesentlich mehr Strom speichern können. Wie die Forschungsgruppe in der Zeitschrift „Nature Sustainability“ berichtet, zeigte ihr Prototyp zudem eine hohe Stabilität über rund 1000 Ladezyklen.

„Die neue Alternative zu Kobalt basiert auf einer neuartigen Elementkombination mit Lithium, Nickel, Mangan, Silizium und Sauerstoff“, sagt Atsuo Yamada. Zusammen mit seinem Team entwickelte er eine kobaltfreie Batterie-Elektrode, die auf der chemischen Zusammensetzung LiNi0.5Mn1.5O4 basiert. Darüber hinaus erfolgte ein Materialaustausch bei der zweiten Elektrode, der Anode. Anstelle des herkömmlich genutzten Graphits entschieden sich die Forschenden hier für die Verwendung von Siliziumoxid.

Neue Kombination erweist sich als erstaunlich leistungsfähig

Mit der neuen Kombination ließ sich die ohne Kobalt eigentlich sinkende Speicherkapazität mehr als kompensieren. Theoretisch könnten die neuen Batterien bei gleicher Masse sogar rund 60 Prozent mehr Strom speichern als derzeit übliche Lithium-Ionen-Batterien. Zudem lieferten sie eine höhere Zellspannung von 4,4 Volt im Vergleich zu 3,2 bis 3,7 Volt bisheriger Varianten.

Ohne eine hohe Stabilität über tausende Ladezyklen hat jedoch jede neue Zellchemie keine Chance auf eine Serienfertigung. Genau dieses Ziel konnten die Forschenden mit einer weiteren Änderung, einem neuen flüssigen Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden, erreichen. Der neue Elektrolyt mit der Abkürzung LiFSI/FEMC enthält neben Lithium, Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff und Fluor auch eine spezielle Carbonat-Verbindung.

Stabile Speicherkapazität

Die experimentellen Arbeiten mit diesen Materialien offenbarten, dass die kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterie dank ihrer hohen Leitfähigkeit für elektrisch geladene Ionen gute Speicherfähigkeiten sowie eine exzellente Stabilität besitzt. Selbst nach 1000 Ladezyklen, was in etwa einer dreijährigen Nutzungsdauer entspricht, verringerte sich die Speicherkapazität der Batterie um maximal 20 Prozent.

Das von Yamada geleitete Team stellt mit diesen innovativen Materialkombinationen einen entscheidenden Schritt hin zu effizienten, vollständig kobaltfreien Lithium-Ionen-Batterien dar. In den folgenden Forschungsphasen planen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die Energiedichte der Batterie weiter zu optimieren, mit dem Ziel, sich dem theoretischen Maximum von 610 Wattstunden pro Kilogramm so weit wie möglich anzunähern.

Dies würde bedeuten, dass die neue Batterie deutlich mehr elektrische Energie speichern könnte als die bereits auf dem Markt befindlichen kobaltfreien Alternativen, etwa Batterien auf Basis von Lithiumeisenphosphat oder die sich langsam etablierenden Natrium-Ionen-Batterien. Hier geht es zur Studie.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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