Japanische Wissenschaftler haben eine nachhaltige Lithium-Ionen-Batterie ohne Kobalt entwickelt. Die neue Batterie hat eine um 60 Prozent höhere Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien und kann mit 4,4 Volt auch eine höhere elektrische Spannung bereitstellen. Zudem sei der Akku langzeitstabil und weise nach 300 Lade- und Entladevorgängen noch 85 Prozent der maximalen Speicherkapazität auf, schreiben die Forscher der Universität Tokio um Atsuo Yamada im Fachmagazin Nature Sustainability.
Für die Alternative werde eine neuartige Kombination von Elementen in den Elektroden verwendet, darunter Lithium, Nickel, Mangan, Silizium und Sauerstoff, wird Yamada in einer Mitteilung seiner Universität zitiert. Diese Stoffe seien weitaus häufiger und weniger problematisch in der Herstellung und Verarbeitung. Kobalt ist ein seltenes Element, das nur an einigen Orten und meist unter wenig umweltfreundlichen Bedingungen gefördert wird. Immer wieder wird von ungesicherten Minen und Kinderarbeit berichtet.
Dank spezieller Beschichtung überdauert die Batterie mindestens 1000 Ladezyklen
Deshalb wird seit Jahren nach einem kobaltfreien Lithium-Ionen-Akku gesucht, bisher mit wenig Erfolg. Auch Yamada und Kollegen mussten Widrigkeiten überwinden. "Es war ein Kampf, verschiedene unerwünschte Reaktionen zu unterdrücken, die in frühen Versionen unserer neuen Batteriechemie auftraten und die Lebensdauer der Batterien drastisch hätten verkürzen können", berichtet Yamada.
Letztlich brachte die besondere Zusammensetzung des Elektrolyten den Erfolg. Im Elektrolyten bewegen sich die elektrischen Ladungsträger zwischen zwei Elektroden beim Laden und Entladen eines Akkus.
Die Wissenschaftler verwendeten die beiden Verbindungen LiFSI und FEMC – ausgeschrieben Lithium Bis(fluorosulfonyl)imide und Methyl (2,2,2-trifluoroethyl) Carbonate – als Elektrolyten. Er bildet eine Schutzschicht auf der negativen Elektrode, der Anode, die aus einem Siliziumoxid besteht. Die Schutzschicht blockiert den direkten Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyt. Ohne sie wäre die Anode zu reaktionsfreudig und damit instabil: Sie würde nach und nach abgebaut. Durch die Beschichtung der Anode hält die Batterie mindestens 1000 Lade- und Entladezyklen lang.
Die Forscher wollen die Sicherheit und Langlebigkeit ihrer Batterie noch weiter optimieren. "Derzeit sind wir zuversichtlich, dass diese Forschung zu verbesserten Batterien für viele Anwendungen führen wird", sagt Yamada. Das von ihm und seiner Forschungsgruppe entwickelte elektrochemische Konzept könnte auch in anderen Prozessen zur Anwendung kommen. Die Forscher denken dabei an die Erzverhüttung, die Elektrotauchlackierung und die Elektrolyse – also Wasserspaltung, etwa zur Erzeugung von Wasserstoff.
