MIT entwickelt organische Batterie für Elektroautos
Viele Elektrofahrzeuge werden mit Batterien betrieben, die Kobalt enthalten. Die Preise für das Metall schwanken jedoch stark. Außerdem hat es in ökologischer und in sozialer Hinsicht eine schlechte Bilanz. Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat jetzt eine Alternative vorgestellt.
Diese Illustration zeigt die molekulare Struktur der organischen Batterien.
Foto: MIT
Die meisten Elektroautos werden von Lithium-Ionen-Batterien angetrieben, einem Batterietyp, der aufgeladen wird, indem Lithiumionen von einer positiv geladenen Elektrode (Kathode) zu einer negativ geladenen Elektrode (Anode) fließen. In den meisten Lithium-Ionen-Batterien wird für die Kathode Kobalt verwendet, weil das Metall sehr stabil ist und sich durch eine hohe Kapazität auszeichnet.
Der Kobalt-Abbau ist jedoch schlecht für Mensch und Umwelt. Denn der größte Teil der weltweiten Vorkommen befindet sich in politisch instabilen Ländern, wo das Metall unter gefährlichen Arbeitsbedingungen gewonnen wird. Giftige Abfälle sind dabei an der Tagesordnung. Ein weiterer Punkt kommt hinzu, sagt Mircea Dincă, Professor für Energietechnik am MIT: „Kobaltbatterien können viel Energie speichern und haben sehr positive Eigenschaften, aber sie sind nicht überall erhältlich und die Kosten schwanken mit den Rohstoffpreisen stark. Wenn die Zahl an Elektroautos weiter steigt, werden sie sicherlich noch teurer werden.“ Alternativen sind also gefragt – das Team um Dincă setzt auf organische Materialien.
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Die besondere Struktur der organischen Batterie
Organische Batterien konnten bisher nicht die gleichen Werte wie Akkus mit Kobalt erreichen, was die Leitfähigkeit, Speicherkapazität und Lebensdauer betrifft. Wegen ihrer geringen Leitfähigkeit müssen solche Materialien in der Regel mit Bindemitteln wie Polymeren gemischt werden. Diese Bindemittel, die in der Regel mindestens 50 Prozent des Gesamtmaterials ausmachen, verringern jedoch die Speicherkapazität der Batterie.
Das Team um Dincă hat jetzt ein vielversprechendes organisches Material für Batterien vorgestellt, mit dem sich die bisherigen Probleme aushebeln lassen. Das Material besteht aus vielen Schichten sogenannter Bis-Tetraaminobenzochinonen (TAQ): kleinen, organischen Molekülen, die jeweils drei verschmolzene, hexagonale Ringe enthalten. Diese Schichten können sich in alle Richtungen ausdehnen und bilden eine graphitähnliche Struktur. Innerhalb der Moleküle befinden sich chemische Gruppen namens Chinone, die als Elektronenreservoir dienen, sowie Amine, die dem Material helfen, starke Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden.
Organische Batterie mit hoher Stabilität und Speicherkapazität
Nach Aussage der Forschenden machen diese Wasserstoffbrückenbindungen das Material sehr stabil und verhältnismäßig schlecht löslich. Das ist wichtig, damit sich das Material in den Batterieelektrolyten nicht auflöst, wie es bei einigen organischen Batteriematerialien der Fall ist. Anders gesagt: Diese Eigenschaft verlängert seine Lebensdauer. Dincă berichtet von über 2.000 Ladezyklen, die mit dieser organischen Batterie möglich seien, bei minimaler Degradation.
Nach seiner Aussage können die organischen Batterien insgesamt mit herkömmlichen kobalthaltigen Akkus mithalten, was ihre Leitfähigkeit und Speicherkapazität betrifft. Die TAQ-Kathode könne sogar schneller geladen werden als bestehende Batterien, was die Ladegeschwindigkeit von Elektrofahrzeugen beschleunigen könnte.
Um das organische Material zu stabilisieren und seine Haftfähigkeit am Stromkollektor der Batterie, der aus Kupfer oder Aluminium besteht, zu erhöhen, fügten die Forschenden Füllstoffe wie Zellulose und Gummi hinzu. So wird verhindert, dass die Kathode der organischen Batterie zerbricht, wenn Lithiumionen beim Laden der Batterie in die Kathode fließen. Da die Füllstoffe weniger als ein Zehntel des gesamten Kathodenverbunds ausmachen, verringern sie die Speicherkapazität nach Einschätzung der Forschenden aber nicht wesentlich.
Deutlich geringere Materialkosten
Die wichtigsten Materialien, die zur Herstellung einer TAQ-Kathode benötigt werden, sind ein Chinonvorläufer und ein Aminvorläufer. Dabei handelt es sich um Standardchemikalien, die problemlos verfügbar sind. Dementsprechend gehen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen davon aus, dass die Materialkosten für diese organische Batterie deutlich geringer ausfallen dürften als für herkömmliche Akkus. Vermutlich fallen sie nur halb so hoch aus, im besten Fall betragen sie nur ein Drittel.
Lamborghini hat die Forschung unterstützt und das Patent für diese Technologie lizenziert.
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