Lithium-Ionen-Batterie ohne Kobalt

Tokio (Japan) - Kaum ein Laptop oder Elektroauto kommt ohne Lithium-Ionen-Batterien aus. Die Kathoden dieser effizienten Stromspeicher bestehen neben Lithium meistens aus den drei Metallen Nickel, Mangan und Kobalt. Gerade der Anteil des seltenen und oft unter zweifelhaften Bedingungen in der Demokratischen Republik Kongo gewonnenen Kobalts sank in den vergangenen Jahres von einem Drittel (NMC-111) über ein Fünftel (NMC-622) bis auf ein Zehntel (NMC-811). Nun gelang es einer japanischen Forschergruppe sogar, das Kobalt ganz aus der Kathode zu verbannen. Wie sie in der Zeitschrift „Nature Sustainability“ berichten, zeigte ihr Prototyp eine hohe Stabilität über rund 1000 Ladezyklen.

„Die neue Alternative zu Kobalt basiert auf einer neuartigen Elementkombination mit Lithium, Mickel, Mangan, Silizium und Sauerstoff“, sagt Atsuo Yamada von der University of Tokyo. Mit seinen Kolleginnen und Kollegen fertigte er eine neue, kobaltfreie Batterie-Elektrode mit der chemischen Formel LiNi0.5Mn1.5O4. Zusätzlich tauschten sie das Material der zweiten Elektrode, der Anode, aus und verwendeten anstelle von Grafit ein Siliziumoxid. Mit dieser 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. Die Versuche mit diesen Materialien zeigten, dass dank der hohen Leitfähigkeit für elektrisch geladene Ionen die kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterie sowohl gute Speichereigenschaften als auch eine hohe Stabilität aufwiesen. So sank die Speicherkapazität auch nach 1000 Ladezyklen – das entspricht etwa einer Nutzung über drei Jahre – nur um höchstens 20 Prozent ab.

Mit ihren neuen Materialkombination ebnet das Team um Yamada den Weg zu effizienten Lithium-Ionen-Batterien ganz ohne Kobalt. In weiteren Schritten werden die Forschenden daran arbeiten, die Energiedichte möglichst nah an das theoretische Maximum von 610 Wattstunden pro Kilogramm zu treiben. Damit könnten sie deutlich mehr Strom speichern als heute schon verfügbare und ebenfalls kobaltfreie Batterien auf der Basis von Lithiumeisenphosphat oder die langsam in den Markt drängenden Natrium-Ionen-Batterien.