Missing Link: Lithium-Ionen-Batterien – Ein Fundament der digitalen Ära

Kobalt-freie Kathodenmaterialien

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Die Entwicklung von LiCoO2 als Kathodenmaterial durch John Goodenough gilt als einer der wesentlichen Durchbrüche der Lithium-Ionen-Batterie. Denn LiCoO2 ist in der Lage, bei hohen Potentialen beim Entladen der Zelle Lithiumionen aufzunehmen und wieder abzugeben. Zudem ist dieser Interkalationseffekt fast hundertprozentig reversibel. Dies bildet die Basis für die Langlebigkeit von Lithium-Ionen-Batterien. LiCoO2 wurde in der ersten kommerziellen Zelle von Sony eingesetzt und ist nach wie vor die Hauptkomponente in Batterien für tragbare Elektronik.

Andere Anwendungen wie im Automobilsektor streben Materialien mit einem niedrigeren Kobaltgehalt an. Denn dort gilt es, das Sicherheitsprofil bei erhöhten Temperaturen sowie die Kosten zu optimieren. Andere Elemente könnten die Kosten senken und die Ressourcennachhaltigkeit verbessern, denn die Materialkosten machen fast 70 Prozent der Gesamtkosten aus – ein großer Teil geht auf Kobalt zurück.

Dabei gab es deutliche Erfolge: Metallmischoxide, die aus gleichen Teilen Ni, Mn und Co (NCM111) bestanden und nur noch 33 Prozent des Kobaltgehalts früherer Lithium-Ionen-Batterien enthielten, dominierten schon in der ersten Generation Elektrofahrzeuge. Mittlerweile werden Materialien der Zusammensetzung 622 (60 % Ni, 20 % Co, 20 % Mn) und 532 eingesetzt, was die Menge an Kobalt deutlich reduziert und einen wichtigen Schritt in Richtung Nachhaltigkeit bedeutet. Zurzeit befindet sich auch das Material NCM811 mit nur noch 10 % Kobaltgehalt in einem späten Entwicklungsstadium. Erste Anwendungen mit hohen Ansprüchen an die Energiedichte sind im Einsatz, und die Anwendung in batterieelektrischen Fahrzeugen der nächsten Generation ist höchst wahrscheinlich.

NMC-Materialien mit abnehmendem Co-Gehalt sind generell leichter thermisch zersetzbar und weniger langzeitstabil. Vollständig kobaltfreie Kathoden sind ebenfalls in der Entwicklung und teilweise auch im kommerziellen Einsatz, beispielsweise Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4), das aber aufgrund der geringeren Energiedichte nicht in Elektrofahrzeugen zum großindustriellen Einsatz kommt.

Neben der Entdeckung von LiCoO2 war der zweite wesentliche Durchbruch der Lithium-Ionen-Technik die Entdeckung des Graphits als Material, um Lithiumionen bei niedrigen Potentialen einzulagern. Neben der genannten Problematik der Lithiummetallabscheidung bei diesen niedrigen Potentialen bieten organische Elektrolyte nicht die notwendige thermodynamische Stabilität. Allerdings bilden die Zersetzungsprodukte an der Graphitoberfläche eine Ionen-leitfähige Passivierungsschicht, die eine beachtliche Langzeitstabilität von bis zu mehreren tausend Lade- und Entladezyklen gewährleistet. Verglichen mit anderen Techniken, die weniger als hundert Zyklen schaffen, war dies ein wichtiger Durchbruch.

Da die Kapazität zur Lithium-Ionen-Einlagerung bei Graphit auf maximal 350 mAh/g begrenzt ist, wurden zahlreiche andere Elemente und Materialien untersucht, die eine wesentlich höhere Kapazität versprechen. Viele Metalle wie Al, Sn, Bi oder Co bilden Mischmetalle mit Lithium und könnten somit Graphit ersetzen. Leider sind diese Mischmetallbildungen sehr häufig nicht reversibel oder zumindest kinetisch gehemmt, was die praktische Anwendung stark einschränkt.

Daher hat sich in den letzten Jahren die Forschung stark auf Silizium fokussiert. Dieses Element verspricht sowohl hohe Kapazitäten als auch akzeptable Langzeitstabilitäten. In einigen kommerziellen Zellen wird Silizium mittlerweile zur Kapazitätssteigerung im Verbund mit Graphit eingesetzt. Das wesentliche Problem ist dabei die große Volumenänderung von bis zu 200 % bei der Einlagerung von Li, was viele Degradationsmechanismen nach sich zieht.

Getrieben von der Notwendigkeit der Elektrifizierung des Individualverkehrs und der Umstellung auf regenerative Energieformen ist das öffentliche, wirtschaftliche und wissenschaftliche Interesse an Batterien enorm gestiegen. Trotz bestehender Herausforderungen haben Lithium-Ionen-Zellen unsere Welt bereits signifikant verändert. Die Nobelpreisträger der Chemie im vergangenen Jahr haben dazu bahnbrechende Arbeiten geleistet. Die Batterieentwicklung erfordert sowohl die Entdeckung neuartiger Materialien, innovativer Prinzipien als auch eine innovative Systemintegration, wie sie Akira Yoshino geleistet hat. Damit steht die Lithium-Ionen-Batterie exemplarisch für die Übertragung akademischer Ergebnisse in ein anwendungsreifes Produkt.

Die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie als wesentlicher Baustein der Elektrifizierung des Automobils beinhaltet eine gewisse Ironie, da Stanley Whittingham grundlegende Arbeiten in den 1970er-Jahren bei der Ölfirma Exxon durchführte. Exxon hatte im Rahmen der Ölkrise – wie viele andere Firmen – die Forschung und Entwicklung im Bereich regenerativer Energien verstärkt. Dies legte während der Ölkrise die Grundlagen für heute wichtige Technik – auch für die Photovoltaik.

Trotz der immensen wissenschaftlichen Anstrengungen ist die Entwicklung leistungsstärkerer Batterien eher ein evolutionärer als revolutionärer Prozess. Momentan liegen die Schwerpunkte für Lithium-Ionen-Batterien darauf, den Co-Gehalt zu verringern und die Energiedichte sukzessive zu steigern – unter Beibehaltung von Lebensdauer, Kosten und Sicherheit. Die Entwicklung neuartiger Batterietypen unter Vermeidung von flüssigen – volatilen – Elektrolyten befindet sich hinsichtlich der Konkurrenzfähigkeit und Reife noch in einer frühen Phase.

Egbert Figgemeier und Moritz Teuber: Bedeutsame Batterien. Physik-Journal. 2019. 12/2019. 28-33. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission. (mho)