Die Welt sucht zunehmend nach „grüneren“ Energiequellen, wodurch die Nachfrage nach wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien stark zunimmt. Doch herkömmliche Kathoden in diesen Batterien enthalten häufig Kobalt – ein Metall, dessen Abbau erhebliche ökologische und soziale Kosten verursacht. Forscher haben jetzt in der Zeitschrift ACS Central Science ein erdreiches, kohlenstoffbasiertes Kathodenmaterial vorgestellt, das Kobalt und andere seltene sowie giftige Metalle ersetzen könnte, ohne die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu beeinträchtigen.
Kobaltfreie Zukunft: Das Potenzial organischer Kathodenmaterialien
Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken – sie treiben alles an, von Handys über Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen. Ein limitierender Faktor für die globale Energiewende, insbesondere den Übergang von benzinbetriebenen Autos zu Elektrofahrzeugen, ist jedoch die Knappheit und der schwierige Abbau der Metalle wie Kobalt, Nickel und Magnesium, die in wiederaufladbaren Batteriekathoden verwendet werden. Frühere Forschungsarbeiten haben Kathoden aus kostengünstigeren und reichhaltigeren kohlenstoffhaltigen Materialien wie Organosulfur- und Carbonylverbindungen entwickelt, doch diese Prototypen konnten die Energieleistung und Stabilität traditioneller Lithium-Ionen-Batterien nicht erreichen.
Das Forscherteam um Mircea Dincǎ hat nun herausgefunden, dass Bis-Tetraaminobenzochinon (TAQ) als organische Verbindung eine aussichtsreiche Alternative darstellt. TAQ-Moleküle bilden festkörperliche Schichtstrukturen, die mit der Leistung traditioneller kobaltbasierter Kathoden konkurrieren könnten.
Leistungsstarke und schnelle Ladung mit TAQ
Aufbauend auf früheren Arbeiten, die die Wirksamkeit von TAQ als Material für Superkondensatoren zeigten, testeten Dincǎ und sein Team die Verbindung in einer Kathode für Lithium-Ionen-Batterien. Um die Zyklusstabilität zu verbessern und die Haftung von TAQ an der Kathode aus Edelstahl zu erhöhen, fügten sie der TAQ-Kathode Zellulose- und gummihaltige Materialien hinzu. In einem Demonstrationsversuch konnte die neue Verbundkathode sicher mehr als 2.000 Mal zyklisiert werden, bot eine höhere Energiedichte als die meisten kobaltbasierten Kathoden und konnte in nur sechs Minuten aufgeladen und entladen werden. Obwohl die TAQ-basierten Kathoden noch weitere Tests benötigen, bevor sie auf den Markt kommen, sind die Forscher optimistisch, dass sie die hochenergetischen, langlebigen und schnellladenden Batterien ermöglichen könnten, die benötigt werden, um den globalen Übergang zu einer erneuerbaren Energiezukunft ohne Kobalt und Nickel zu beschleunigen.
