Eine bessere Batterie entwerfen – Weg mit Kobalt und rein mit…TAQ?

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben kürzlich entwickelt eine neue Batterietechnologie, die auf den Einsatz von Edelmetallen verzichtet.  Stattdessen? Eine organische Kathode namens Bis‑Tetraaminobensoquinon oder „TAQ“.

Die Bedeutung von Batterien

Mit dem Aufstieg von Elektrofahrzeugen (EVs) – vor allem dank des amerikanischen Unternehmens Tesla (TSLA ) sowie der chinesischen Firmen BYD und CATL – ist die Batterietechnologie wichtiger denn je, da sie nicht nur für Elektronik, sondern auch für Mobilität relevant ist. Und bald auch für das Stromnetz, um die Intermittenz erneuerbarer Energien wie Wind und Sonne auszugleichen.

Globale EV‑Verkäufe – Quelle: IEA

Bis heute ist die dominierende Chemie für Batterien die Lithium‑Ion‑Technologie. Das liegt daran, dass diese Batterien zu den energiedichtesten gehören, wenn man sie in kW/kg misst. Diese Kennzahl ist bei Mobilitätsanwendungen von größter Bedeutung, da jedes zusätzliche Kilogramm Batterie mehr Gewicht bedeutet und entweder mehr Batterie oder weniger Reichweite erfordert.

Da Elektrofahrzeuge sich als die wahrscheinlich wichtigste Zukunftstechnologie für Automobile (und vielleicht auch für Lastwagen und sogar Flugzeuge) erwiesen haben, wurde viel Aufwand betrieben, die Batterietechnologie zu verbessern.

Verzicht auf Lithium‑Ion?

Obwohl sie sehr energiedicht sind, ist die traditionelle Lithium‑Ion‑Technologie nicht ohne Mängel. Es gibt eine Reihe von Problemen, die gelöst werden müssen:

• Die Energiedichte ist im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen wie Benzin und Diesel immer noch relativ niedrig, was zu Reichweitenangst führt.
• Das Laden kann etwas langsam sein, was für viele Fahrer und kommerzielle Anwendungen ein Problem darstellt.
• Batterien sind teuer, vor allem wegen der teuren Mineralien.
  • Dies führte dazu, dass EVs zunächst eher ein Luxusgut als ein normales Konsumgut waren.
  • Der Abbau dieser Mineralien ist selten umweltfreundlich und geht häufig mit schlechten Arbeitsbedingungen und Ausbeutung von Arbeitern oder Kindern in den Minen einher, insbesondere beim Kobaltabbau im Kongo.

Als Ergebnis wurden zahlreiche alternative Chemien in Betracht gezogen. Dazu gehören, ohne darauf beschränkt zu sein,

• LFP (Lithium‑Eisen‑Phosphat)
• Natrium‑Ion
• Festkörperbatterien
• Lithium‑Schwefel
• Graphen
• Glasbatterien

Die Oxidation von Aluminium wurde sogar als Alternative zu Batterien insgesamt diskutiert. Allerdings haben all diese Alternativen ihre Einschränkungen, etwa eine kürzere Lebensdauer, Fertigungsschwierigkeiten usw.

(Wir haben die Vor‑ und Nachteile jeder dieser Technologien in unserem Artikel „The Future of Mobility – Battery Tech“ ausführlich diskutiert.)

Die vielversprechendsten, wie Festkörperbatterien, befinden sich noch im experimentellen Stadium, und die für die Kommerzialisierung bereitstehenden, wie LFP und Natrium‑Ion, leiden unter einer geringeren Energiedichte als Lithium‑Ion.

Es gibt wahrscheinlich einen Markt für diese batterien mit geringerer Energiedichte, da sie zudem viel günstiger herzustellen sind. Das chinesische Unternehmen CATL (300750.SZ), das mehr als die Hälfte der weltweiten Batterien produziert, gehört zu den führenden Akteuren in diesem Feld. Wir haben die führenden Batteriehersteller in unserem Artikel „Top 10 Battery Stocks To Invest In“ besprochen.

Dennoch wäre das ideale Elektrofahrzeug letztlich mit einer günstigen UND leistungsstarken Batterie ausgestattet. Diese Kombination wird wahrscheinlich nötig sein, um den Verbrennungsmotor vollständig zu ersetzen, besonders im kommerziellen Bereich.

Das Problem der Lithium‑Ion‑Kathode

Die meisten Einschränkungen von Lithium‑Ion ergeben sich aus den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Kathodenteils der Batterie. Die Kathode erfordert typischerweise Kobalt, und selbst in kobalt‑freien potenziellen Alternativen wird häufig stark auf andere teure Metalle wie Nickel und Magnesium zurückgegriffen.

(Die für den Übergang zu EVs und erneuerbaren Energien erforderlichen Metalle wurden in unserem Artikel „Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks“ weiter behandelt.)

Diese Metalle müssen abgebaut werden, verursachen Umweltverschmutzung, und die Arbeitsbedingungen sind oft miserabel. Sie sind zudem toxisch, was das Recycling von Batterien zu einer komplexeren Aufgabe macht.

Quelle: Visual Capitalist

Forscher haben nach kohlenstoffbasierten Alternativen gesucht, den sogenannten organischen Kathoden. Bisher war das jedoch eher erfolglos, da organische Kathoden entweder zu wenig Energiedichte aufwiesen oder nicht langlebig genug waren, um in den häufigen Lade‑Entlade‑Zyklen von EVs eingesetzt zu werden.

Dies könnte sich dank der oben erwähnten Entdeckung von MIT‑Forschern geändert haben.

Eine neue Art von organischer Kathode

Prof. Mircea Dincă, tätig am W.M. Keck Professor of Energy am MIT hat kürzlich neue organische Verbindungen untersucht, die bisher nicht für Kathodenanwendungen getestet wurden. Anstatt der zuvor untersuchten Organoschwefel‑ und Carbonylverbindungen betrachtete er eine Verbindung namens TAQ (Bis‑Tetraaminobensoquinon). Sein Team hatte bereits das Potenzial dieser Chemikalie als Superkondensator‑Material demonstriert.

TAQ hat großes Potenzial für den Einsatz in Batterien, da es „geschichtete Festkörperstrukturen bildet, die potenziell mit der Leistung traditioneller kobaltbasierter Kathoden konkurrieren können.“

Allein das wäre noch nicht genug. Die MIT‑Forscher fanden zudem heraus, wie die Haftung von TAQ am Edelstahl‑Stromabnehmer der Kathode verbessert werden kann, wodurch die Stabilität des neuen Proof‑of‑Concept‑Kathoden‑Prototyps gesteigert wurde.

Durch das Hinzufügen von Zellulose‑ und Gummimaterialien zu TAQ erreichten sie sicher mehr als 2.000 Lade‑Entlade‑Zyklen. Die Energiedichte war zudem höher als bei kobalt‑basierten Kathoden, und das Laden dauerte weniger als 6 Minuten.

Was kommt als Nächstes?

Dies ist derzeit ein Labor‑Prototyp, und es wird weitere Arbeit nötig sein, um ihn auf die Größe eines kompletten EV‑Batteriepacks zu skalieren – und noch mehr Aufwand, um einen skalierbaren Fertigungsprozess für diese neue Batteriemischung zu entwickeln.

Dennoch ist dies das erste Mal, dass eine organische Kathode in allen wichtigen Kennzahlen – Energiedichte, Materialkosten und Ladegeschwindigkeit – kobalt‑basierte Lithium‑Ion‑Designs übertroffen hat.

Das zeigt, dass die Lithium‑Ion‑Chemie weiterhin die gängige Batterietechnologie bleiben könnte, solange sie ihre Abhängigkeit von Metallen, die ethische und ökologische Probleme verursachen, löst.

Ein weiteres Ergebnis der Forschung von Prof. Dincă ist, dass organische Kathoden großes Potenzial besitzen, wobei möglicherweise tausende weitere organische Verbindungen noch nicht für diese Anwendung getestet wurden. Selbst wenn TAQ letztlich nicht ausreicht, um Kobalt und Nickel zu verdrängen, könnten andere, TAQ‑ähnliche Chemikalien dies erreichen.

Lithium‑Ion‑Designs profitieren zudem von einer riesigen, bereits bestehenden Lieferkette und Fertigungsbasis. Es wäre deutlich einfacher, nur die Kathode zu ändern, als Batteriefabriken von Grund auf neu zu bauen, um neue Chemien zu integrieren. Daher kann die Verbesserung von Lithium‑Ion aus betriebswirtschaftlicher Sicht sehr sinnvoll sein.

Es ist außerdem erwähnenswert, dass organische Kathoden auch für andere Batterietypen diskutiert wurden, zum Beispiel für Aluminium‑Ion, Natrium‑/Kalium‑Ion, Zink oder Kalzium‑basierte Dual‑Ion‑Batterien. Daher ist es möglich, dass die Entdeckung der Eigenschaften von TAQ auch auf andere Batterietypen als Lithium‑Ion angewendet werden kann.

In jedem Fall werden organische Komponenten in Batterien das Recycling erleichtern – ein Thema (und Investitionschance), das wir in unserem Artikel „Addressing the Li‑ion Dilemma: Disposing of Defunct Battery Cells in an Increasingly Electrified World“ ausführlich behandelt haben.

Unternehmen mit organischen Kathoden

Volkswagen AG

Die Forschung von Prof. Mircea Dincă wurde von Automobili Lamborghini S.p.A., einer Tochtergesellschaft von Audi, die zum Volkswagen‑Konzern gehört, finanziert. Für die organische Kathodentechnologie wurde bereits ein Patentantrag gestellt.

Der deutsche Automobilhersteller ist der zweitgrößte Autohersteller der Welt, hinter nur Toyota. Das Unternehmen hinkte zunächst im EV‑Bereich hinterher, hat jedoch seitdem stark aufgeholt, insbesondere mit der ID‑Modellreihe und mehreren Hybridmodellen.

Quelle: Volkswagen

Bis 2033 plant die Volkswagen Group, nur noch EVs in Europa zu produzieren.

Die Zusammenarbeit mit den MIT‑Forschern ist nur eine von vielen, weitere Partnerschaften im EV‑Bereich umfassen:

• Eine Partnerschaft mit Renault für ein 20.000‑Euro‑EV.
• Eine Investition von 700 Mio. $ in das chinesische Unternehmen Xpeng, um den EV‑Verkauf in China zu steigern.
• Eine Partnerschaft mit dem chinesischen Unternehmen SAIC Motor, um EV‑Plattformen an Volkswagen zu liefern.
• Eine Partnerschaft mit Jetta Motor zum Erwerb von EV‑Technologie.
• Eine 492‑Mio.-$‑Partnerschaft mit Magna, um die ikonischen Scout‑SUVs als EV neu zu beleben.

Mit seinen ambitionierten EV‑Plänen und dem Zugang zu fortschrittlicher EV‑Technologie führender chinesischer Unternehmen ist Volkswagen gut positioniert, die patentierte organische Kathodentechnologie von MIT zu prüfen und in zukünftigen EVs im großen Maßstab einzusetzen.

Weitere Unternehmen mit organischen Batterien

Obwohl sie keine neuen Kathoden entwickeln, arbeiten zwei Start‑Ups daran, organische Verbindungen zur Verbesserung der Anodenleistung zu nutzen, Store Dot und EnergyX.