Lithium-Ionen-Batterie ohne Kobalt

Kaum ein Laptop oder Elektroauto kommt ohne Lithium-Ionen-Batterien aus. Diese effizienten Stromspeicher enthalten neben Lithium meist die drei Metalle Nickel, Mangan und Kobalt. Gerade das seltene Kobalt ist bis heute unverzichtbar – allerdings wird es unter zweifelhaften Bedingungen gewonnen. Doch nun gelang es einer Forschungsgruppe, Kobalt ganz aus den Batterien zu verbannen. Wie sie in der Zeitschrift „Nature Sustainability“ berichtet, war ihr Prototyp über rund 1000 Ladezyklen stabil.

Kobalt ist bislang stets in einer der Elektroden – der Kathode – von Lithium-Ionen-Batterien vorhanden und maßgeblich für die hohe Energiedichte verantwortlich. Doch die weltweit einzige große Kobaltquelle sind Minen in der Demokratischen Republik Kongo, die regelmäßig für Umweltverschmutzung, Ausbeutung und Kinderarbeit in der Kritik stehen. Deshalb versuchen Forschende seit Jahren, sich von Kobalt zu lösen: Wurden vor einigen Jahren noch Nickel, Mangan und Kobalt zu gleichen Teilen von je einem Drittel in den Elektroden genutzt, sank der Kobaltanteil zuletzt bis auf ein Zehntel. Eine komplett kobaltfreie Kathode fertigte nun das Team um Atsuo Yamada von der Universität Tokio an. Sie besteht aus einer neuartigen Kombination der Elemente Lithium, Nickel, Mangan, Silizium und Sauerstoff und hat die chemische Formel LiNi_0,5Mn₁,₅O₄. Zusätzlich tauschte das Team das Material der zweiten Elektrode, der Anode, aus und verwendete anstelle von Graphit ein Siliziumoxid.

Erstaunlich leistungsfähige und stabile Batterie

Anschließend testeten die Forschenden die neuen Batterien auf ihre Leistungsfähigkeit. Eigentlich sinkt ohne Kobalt die Speicherkapazität von Batterien – doch wie sich zeigte, konnte die neue Materialkombination das mehr als kompensieren: Die neuen Batterien könnten bei gleicher Masse sogar rund 60 Prozent mehr Strom speichern als derzeit übliche Lithium-Ionen-Batterien. Zudem liefern sie mit 4,4 Volt eine höhere Zellspannung als handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien mit Kobalt mit 3,2 bis 3,7 Volt.

Doch wenn er nicht über tausende Ladezyklen stabil bleibt, hat ein neuer Batterietyp keine Chance auf eine Serienfertigung. Deshalb haben die Forschenden die Materialien in der Batterie weiter angepasst. Mit einem neuen flüssigen Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wollten sie die Batterie über viele Lade- und Entladezyklen hinweg stabil halten. Der neue Elektrolyt mit der Abkürzung LiFSI/FEMC enthält neben Lithium, Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff und Fluor auch eine spezielle Carbonat-Verbindung. Die Versuche mit diesen Materialien zeigten: Dank der hohen Leitfähigkeit für elektrisch geladene Ionen speicherten die kobaltfreien Batterien Strom sehr gut und waren über viele Ladezyklen hinweg stabil. So sank die Speicherkapazität auch nach 1000 Ladezyklen – das entspricht bei einem Ladezyklus pro Tag einer Nutzung von immerhin drei Jahren – nur um höchstens 20 Prozent.

Nun planen die Forschenden, die Energiedichte der Batterien bis möglichst nah an den theoretisch möglichen Wert von 610 Wattstunden pro Kilogramm zu erhöhen. Mit einer solchen Effizienz könnten sie deutlich mehr Strom speichern als andere kobaltfreie Batterien.