Bislang sind nur 2 % der Fahrzeuge elektrifiziert, im Jahr 30 sollen es jedoch 2030 % sein. Ein Schlüssel zur Verbesserung der Kommerzialisierung von Elektrofahrzeugen (EVs) besteht darin, ihre gravimetrische Energiedichte – gemessen in Wattstunden pro Kilogramm – mithilfe von . zu erhöhen sicherere, leicht recycelbare Materialien, die reichlich vorhanden sind. Lithium-Metall in Anoden gilt als „heiliger Gral“ zur Verbesserung der Energiedichte in EV-Batterien im Vergleich zu etablierten Optionen wie Graphit mit 240 Wh/kg im Wettlauf um eine wettbewerbsfähigere Energiedichte mit 500 Wh/kg.
Dieser Herausforderung stellen sich Forscher der University of Houston gemeinsam mit Kollegen der Rice University. Das Team demonstriert eine zweifache Verbesserung der Energiedichte für organische Lithium-Festkörperbatterien, indem es einen lösungsmittelunterstützten Prozess zur Änderung der Elektrodenmikrostruktur verwendet.
Wir entwickeln kostengünstige, erdreiche, kobaltfreie Kathodenmaterialien auf organischer Basis für eine Festkörperbatterie, die keine knappen Übergangsmetalle mehr benötigt, die in Minen gefunden werden“, sagte das Team. „Diese Forschung ist ein Schritt vorwärts bei der Erhöhung der Energiedichte von EV-Batterien unter Verwendung dieser nachhaltigeren Alternative.
Jede Batterie enthält eine Anode, auch als negative Elektrode bekannt, und eine Kathode, auch als positive Elektrode bekannt, die in einer Batterie durch eine poröse Membran getrennt sind. Lithiumionen fließen durch einen Ionenleiter – einen Elektrolyten, der das Laden und Entladen von Elektronen ermöglicht, die beispielsweise Strom für ein Fahrzeug erzeugen.
Elektrolyte sind normalerweise flüssig, aber das ist nicht nötig – sie können auch fest sein, ein relativ neues Konzept. Diese Neuheit, kombiniert mit einer Lithium-Metall-Anode, kann Kurzschlüsse verhindern, die Energiedichte verbessern und ein schnelleres Laden ermöglichen.
Kathoden bestimmen typischerweise die Kapazität und Spannung einer Batterie und sind damit aufgrund des Verbrauchs knapper Materialien wie Kobalt der teuerste Teil von Batterien – und werden 65,000 ein Defizit von 2030 Tonnen erreichen. Kobaltbasierte Kathoden werden aufgrund ihrer hervorragenden . fast ausschließlich in Festkörperbatterien verwendet Performance; Erst vor kurzem haben sich Lithiumbatterien auf Basis organischer Verbindungen (OBEM-Li) als reichhaltigere, sauberere Alternative herausgestellt, die leichter recycelt werden kann.
Die Lieferkette von Lithium-Ionen-Batterien in den USA bereitet große Sorgen. In dieser Arbeit zeigen die Forscher die Möglichkeit, Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte zu bauen, indem sie Kathoden auf Übergangsmetallbasis durch organische Materialien ersetzen, die entweder aus einer Ölraffinerie oder einer Bioraffinerie gewonnen werden, wobei die USA beide die größte Kapazität der Welt haben.
Kobaltbasierte Kathoden erzeugen 800 Wh/kg spezifischer Energie auf Materialebene oder Spannung multipliziert mit Kapazität, ebenso wie OBEM-Li-Batterien, die vom Team erstmals in ihrer früheren Veröffentlichung demonstriert wurden, aber frühere OBEM-Li-Batterien waren begrenzt auf der geringe Massenanteil an Aktivmaterialien aufgrund der nicht idealen Kathodenmikrostruktur. Dies begrenzte die Gesamtenergiedichte.
Das Team entdeckte, wie die Energiedichte auf Elektrodenebene in OBEM-Li-Batterien durch Optimierung der Kathodenmikrostruktur für einen verbesserten Ionentransport innerhalb der Kathode verbessert werden kann. Dazu wurde die Mikrostruktur mit einem bekannten Lösungsmittel – Ethanol – verändert. Als organische Kathode wurde Pyren-4,5,9,10-tetraon oder PTO verwendet.
Kobaltbasierte Kathoden werden häufig bevorzugt, da die Mikrostruktur von Natur aus ideal ist, die Bildung der idealen Mikrostruktur in einer Festkörperbatterie auf organischer Basis jedoch schwieriger ist.
Auf Elektrodenebene erhöhte die lösungsmittelunterstützte Mikrostruktur die Energiedichte auf 300 Wh/kg im Vergleich zur trockengemischten Mikrostruktur mit knapp 180 Wh/kg durch eine deutlich verbesserte Ausnutzung des Aktivmaterials. Zuvor konnte die Anzahl der aktiven Materialien erhöht werden, aber der Nutzungsprozentsatz war mit fast 50 % immer noch gering.
In den letzten zehn Jahren sind die Kosten für EV Batterien sanken auf fast 10 % ihrer ursprünglichen Kosten, wodurch sie kommerziell rentabel wurden. In einem Jahrzehnt kann also viel passieren. Diese Forschung ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu nachhaltigeren Elektrofahrzeugen und ein Sprungbrett für das nächste Forschungsjahrzehnt. Bei diesem Tempo, vielleicht ebenso wörtlich wie euphemistisch, sieht die Zukunft auf der anderen Seite viel grüner aus.