Neue Kathoden aus Eisenchlorid sollen Lithium-Ionen-Batterien bei gleicher Leistung deutlich verbilligen und darüber hinaus sicherer gestalten.
Kathoden aus einem neuen Material können Lithium-Ionen-Batterien deutlich verbilligen und, was ebenso wichtig ist, weder Speicherkapazität noch Lebensdauer negativ beeinflussen. Forscher unter der Leitung von Hailong Chen vom Georgia Institute of Technology und sein Postdoc Zhantao Liu setzen auf Eisenchlorid (FeCl3), das mindestens 50 Mal billiger ist als Kathodenmaterialien, die heute eingesetzt werden und beispielsweise das teure Element Kobalt enthalten.
Keine Brände und Explosionen
Das billige Kathodenmaterial ist nicht der einzige Fortschritt. Die Forscher haben zudem den flüssigen Elektrolyten, der die beiden Elektroden (Anode und Kathode) voneinander trennt und nur Lithium-Ionen passieren lässt, durch festes Material ersetzt. Das verhindert, dass nadelspitze Dendriten, die sich vor allem beim Laden bilden können, den Elektrolyten durchdringen und einen Kurzschluss verursachen. Das führt zu Bränden, im Extremfall sogar zu Explosionen.
Unsere Kathode kann eine Wende bringen. Sie würde den Markt für Elektrofahrzeuge – und den gesamten Markt für Lithium-Ionen-Batterien – erheblich verbessern.
Hailong Chen, Associate Professor of Mechanical Engineering im Georgia Institute of Technology
Batterien machten derzeit etwa 50 Prozent der Gesamtkosten eines E-Autos aus, wodurch diese teurer seien als Verbrenner. Batterien mit dem neuen Kathodenmaterial seien 30 bis 40 Prozent billiger als heutige Stromspeicher. Sie ermöglichten auch die Energiespeicherung in großem Maßstab, die die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes erhöhe.
Reichlich vorhanden und günstig
Derzeit sind Oxide die am häufigsten verwendeten Materialien für Kathoden in Elektrofahrzeugen und erfordern gigantische Mengen an teurem Nickel und Kobalt – schwere Elemente, die toxisch sein können und eine Herausforderung für die Umwelt darstellen. Im Gegensatz dazu enthält die Kathode des Chen-Teams nur Eisen (Fe) und Chlor (Cl) – reichlich vorhandene und damit erschwingliche Elemente.
In ersten Tests hat FeCl3 genauso gut oder besser abgeschnitten als heute übliche Kathoden. So ist zum Beispiel die Betriebsspannung höher bei der häufig verwendeten Kathode aus Lithiumeisenphosphat, also die elektrische Kraft, die eine Batterie bereitstellt, wenn sie an ein Gerät angeschlossen wird, ähnlich dem Wasserdruck in einem Gartenschlauch. Diese Technologie könnte in weniger als fünf Jahren für Elektrofahrzeuge kommerziell nutzbar sein, heißt es abschließend.
