Ungeordnetes Rocksalt: Wie die Bewältigung der Sauerstoffmobilität zu einem Durchbruch in der Batterietechnologie führte

Die Nachfrage nach Batterien wächst weltweit, getrieben durch ihre zunehmende Nutzung in der Automobilindustrie, die steigende Beliebtheit tragbarer Konsumelektronik und strenge Umweltvorschriften. Infolgedessen wird prognostiziert, dass der globale Batteriemarkt bis 2036 800 Mrd. $ erreichen wird, gegenüber etwa 120 Mrd. $ im Jahr 2023.

Angesichts dieses erwarteten Wachstums entwickeln und testen Forscher kontinuierlich neue Materialien und Chemikalien, um kritische Batterieteile zu verbessern, die Eigenschaften wie Energieabgabe, Energiespeicherung, Leistungskapazität und Zyklenkapazität beeinflussen.

Diese Komponenten umfassen eine Kathode (positive Elektrode), eine Anode (negative Elektrode), einen Elektrolyten (für den Ionentransport zwischen den Elektroden) und einen Separator.

Die meisten heute batteriebetriebenen Geräte, wie Elektrofahrzeuge, Smartphones und Energiespeichersysteme, basieren auf Lithium‑Ion‑Batterietechnologie. Lithium‑Ion‑Batterien können eine enorme Energiemenge in kompakten Größen speichern, schnell laden und lange halten.

Mit der wachsenden Nachfrage nach Batterien mit höheren Leistungsfähigkeiten werden jedoch neue Technologien erforscht und entwickelt, um die Effizienz zu steigern, Kosten zu senken, die Sicherheit zu erhöhen und Nachhaltigkeit zu fördern.

Im Laufe der Jahre hat kontinuierliche Forschung zu Fortschritten geführt, die vielversprechende Alternativen zu Lithium‑Ion‑ und Blei‑Säure‑Batterien bieten.

Natrium‑Ion‑Batterien bieten eine kostengünstigere und sicherere Option, die bei niedrigeren Temperaturen besser funktioniert. Diese Batterien ähneln Lithium‑Ion‑Batterien, verwenden jedoch Salzwasser als Elektrolyt, was sie für die Energiespeicherung geeigneter macht, obwohl sie noch optimiert werden müssen. Forscher verwenden sogar Elektrolytgel, um Nanodrähte widerstandsfähiger und für den Batteriebetrieb geeignet zu machen.

Festkörperbatterien hingegen verwenden einen festen Elektrolyten wie Glas, Keramik oder Polymer anstelle von Gel‑ oder Flüssig‑Elektrolyten. Diese Batterien sind weitaus effizienter, leichter, laden schneller, und werden bereits in Smartphones und Herzschrittmachern eingesetzt. Toyota und BMW arbeiten derzeit an der Einführung von Fahrzeugen mit Festkörperbatterien, obwohl es noch einige Jahre dauern wird.

Weitere neue Batterietechnologien umfassen Lithium‑Schwefel‑Batterien, die kosteneffizient sind, aber eine Haltbarkeitsgrenze haben, sowie kobalt‑freie Lithium‑Ion‑Batterien, die dazu beitragen können, Menschenrechtsprobleme beim Kobaltbergbau zu adressieren. Allerdings sind Alternativen wie TAQ noch neu und benötigen weitere Tests.

Zinkbasierte Batterien werden ebenfalls erforscht, mit Technologien wie Zink‑Mangan‑Dioxid, Zink‑Luft, Zink‑Brom und Zink‑Ion‑Batterien. Sie sind jedoch ineffizient, beinhalten manchmal unerwartete chemische Umwandlungsreaktionen und sind teuer in der Herstellung, was weitere Forschung erfordert.

Da die Welt zunehmend auf Batterien angewiesen ist, konzentrieren sich Wissenschaftler weltweit darauf, Durchbrüche bei Speicherzeiten, Leistungsabgabe, Produktionskosten und sofortiger Einsatzbereitschaft zu erzielen.

Neuester Batteriedurchbruch: Rock‑Salz‑Polyanion‑Kathoden 

Neue Forschung hat einen Fortschritt bei der Erhöhung der praktischen Energiedichte der Batterie erzielt. Veröffentlicht im Nature Energy Ende letzten Monats, die Studie mit dem Titel “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling” wurde vom MIT Department of Nuclear Science and Engineering durchgeführt.

Die Studie konzentriert sich auf ein neues Kathodenmaterial, das in ungeordnetem Rocksalt gefunden wurde und seit über einem Jahrzehnt als fortschrittliches Kathodenmaterial für Lithium‑Ion‑Batterien untersucht wird.

MIT‑Forscher stellten sicher, dass das Material eine hochenergetische, kostengünstige Speicherung für Elektrofahrzeuge, Mobiltelefone und erneuerbare Energiespeicherung ermöglichen kann.

Unter der Leitung von Ju Li, dem Professor für Kerntechnik bei der Tokyo Electric Power Company, entdeckte das Team DRXPS, oder ungeordnetes Rocksalt‑Polyanion‑Spinell, als das neue Material.

Diese neue Kategorie einer teilweise ungeordneten Rocksalt‑Kathode, integriert mit Polyanionen, liefert eine hohe Energiedichte bei hohen Spannungen mit verbesserter Zyklusstabilität. Das ist ein großer Erfolg, da es typischerweise einen Kompromiss zwischen Energiedichte und Zyklusstabilität bei Kathodenmaterialien gibt.

„Mit dieser Arbeit wollen wir die Grenzen erweitern, indem wir neue Kathodenchemien entwerfen.“

– Yimeng Huang, der Erstautor des Papiers, Postdoktorand am NSE

Wie kann die neue Materialfamilie sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine gute Zyklusstabilität erreichen? Die Antwort liegt in der Integration zweier Schlüssel‑Kathodenmaterialien – Rocksalt und polyanionischer Olivin. Durch deren Kombination konnten beide Vorteile genutzt werden.

Ein weiterer Faktor ist Mangan (Mn), ein hartes, silbrig‑glänzendes Metall, das auf der Erde reichlich vorkommt und viel günstiger ist als andere derzeit in heutigen Kathoden verwendete Elemente.

Zum Beispiel ist Mangan etwa dreißigmal günstiger als Kobalt (Co) und fünfmal günstiger als Nickel (Ni), die beide häufig in Batterien verwendet werden. Zusätzlich spielt Mangan eine entscheidende Rolle bei der Erreichung höherer Energiedichten.

„(Ein solches) Material, das viel erdreichlich ist, stellt einen enormen Vorteil dar.“

– Li, Professor für Werkstoffwissenschaft und -technik

Dieser Vorteil, so die Forscher, ist von großem Wert für eine CO₂‑neutrale Zukunft, die eine Infrastruktur für erneuerbare Energien erfordert.

Batterien können in diesem Wandel eine wichtige Rolle spielen, indem sie die Dekarbonisierung des Verkehrs durch Elektrofahrzeuge ermöglichen und die Intermittenz von Solar‑ und Windenergie ausgleichen. Da diese erneuerbaren Energiequellen nicht rund um die Uhr verfügbar sind, ist Energiespeicherung entscheidend, um zu Zeiten, in denen sie nicht verfügbar sind, wie nachts oder an bewölkten und ruhigen Tagen, Strom zu liefern.

Die Forscher weisen außerdem darauf hin, dass Materialien wie Kobalt und Nickel relativ selten und teuer sind. Ihre Verwendung, um die elektrische Speicherkapazität schnell zu skalieren, könnte zu erheblichen Kostensprüngen und potenziellen Materialknappheiten führen. Laut Li:

„Wenn wir eine echte Elektrifizierung von Energieerzeugung, Verkehr und mehr erreichen wollen, benötigen wir erdreiche Batterien, um intermittierende Photovoltaik‑ und Windenergie zu speichern. Ich denke, dies ist ein Schritt in Richtung dieses Traums.“

Überwindung der Hürde der Sauerstoffmobilität in aktuellen Materialien

Finanziert vom Honda Research Institute USA Inc. und dem Molecular Foundry am Lawrence Berkeley National Laboratory, ging die Studie ein zentrales Problem an, dem ungeordnete Rocksalt‑Kathoden gegenüberstehen.

Wie bereits erwähnt, wurde das Material wegen seiner extrem hohen Kapazität untersucht. Im Vergleich zu herkömmlichen Kathodenmaterialien, die eine Kapazität zwischen 190 und 200 mAh/g aufweisen, erreicht dieses Material bis zu 350 mAh/g.

Trotz der sehr hohen Kapazität ist das Material jedoch nicht sehr stabil. Dies liegt zum Teil an der Sauerstoff‑Redox, einem Prozess, bei dem die Elektronendichte in der Nähe von Sauerstoffatomen in Kathodenmaterialien genutzt wird.

Die Sauerstoff‑Redox wird aktiviert, wenn die Kathode auf hohe Spannungen geladen wird, wodurch Sauerstoff mobil wird, was dann zu Reaktionen mit dem Elektrolyten und zur Materialdegradation führt. Dies macht das Material nach längerem Zyklieren unbrauchbar.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, führten die Forscher ein weiteres Element in das Material ein: Phosphor (P), ein weiches, wachsartiges Feststoff, das wie ein Klebstoff wirkt, den Sauerstoff an Ort und Stelle hält und die Materialdegradation reduziert.

Aber das bloße Hinzufügen von Phosphor reicht nicht aus. Die richtige Menge Phosphor ist hier die wichtigste Innovation. Das Hinzufügen der geeigneten Menge P „bildete sogenannte Polyanionen mit den benachbarten Sauerstoffatomen in einer kationdefizienten Rocksalt‑Struktur, die sie festhält“, erklärte Li.

Die starke kovalente Bindung zwischen Sauerstoff und Phosphor ermöglicht es den Forschern, den Sauerstofftransport zu beenden. Auf diese Weise konnten sie die von Sauerstoff beigetragene Kapazität nutzen und gleichzeitig eine gute Stabilität erreichen.

Diese Fähigkeit, Batterien auf höhere Spannungen zu laden, ist wichtig, da sie einfachere Systeme zur Verwaltung ihrer gespeicherten Energie ermöglicht.

„Man kann sagen, die Qualität der Energie ist höher. Je höher die Spannung pro Zelle, desto weniger müssen Sie sie in Reihe im Batteriepacks verbinden, und desto einfacher ist das Batteriemanagementsystem.“

– Li

Diese Studie ist erst der Anfang, da das Team nun verschiedene Verhältnisse von Mangan, Lithium, Sauerstoff und Phosphor sowie verschiedene Kombinationen anderer polyanion‑bildender Elemente wie Silizium, Schwefel und Bor untersuchen wird.

In Zukunft werden die Forscher auch neuartige Herstellungsweisen des Materials untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf Skalierbarkeit und Morphologie liegt. Die aktuelle Studie verwendet Hochenergie‑Kugelmühlen für die mechanochemische Synthese, was zu einer nicht einheitlichen Morphologie und Partikeln von etwa 150 nm Durchmesser führt, ein kleiner Durchschnitt. Darüber hinaus ist ihre aktuelle Methode nicht wirklich skalierbar. 

Daher versuchen die Forscher nun alternative Synthesemethoden, um eine einheitlichere Morphologie und größere Partikel zu erreichen. Dies würde die volumetrische Energiedichte des Materials erhöhen und könnte ihnen sogar ermöglichen, Beschichtungsverfahren zu testen, die die Batterieleistung verbessern könnten. Zukünftige Methoden müssen zudem industriell skalierbar sein.

Ein weiteres Problem ist die Leitfähigkeit, die durch das Hinzufügen einer erheblichen Menge Kohlenstoff zum ungeordneten Rocksalt‑Material erhöht wurde. Tatsächlich machte Kohlenstoff 20 % des Gewichts der Kathodenpaste aus, da das Material von sich aus kein guter Leiter ist. 

Natürlich werden die Forscher weiter untersuchen, den Kohlenstoffgehalt in der Elektrode zu reduzieren. Wenn sie dies erreichen, ohne die Batterieleistung zu beeinträchtigen, könnten sie die praktische Energiedichte erhöhen, indem sie einen höheren Anteil an aktivem Material in die Batterie integrieren.

Zu diesem Zweck erwägen sie den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren, die den Kohlenstoffgehalt auf nur ein bis zwei Prozent des Gewichts reduzieren könnten, was einen signifikanten Anstieg des aktiven Kathodenmaterials ermöglicht. Die aktuelle Studie verwendete jedoch Super P, ein leitfähiger Kohlenstoff aus Nanosphären, der weniger effizient ist.

Eine weitere Verbesserung besteht im Einsatz dicker Elektroden, was die praktische Energiedichte der Batterie weiter erhöhen würde.

Sobald das Team die Materialzusammensetzung optimiert, dickere Elektroden entwickelt, eine bessere Morphologie für einheitliche Beschichtungen erreicht, den Kohlenstoffgehalt senkt und skalierbare Synthesemethoden einführt, sieht es die DRXPS‑Kathodenfamilie als äußerst vielversprechend für Anwendungen in Elektrofahrzeugen, Netzspeichern und Konsumelektronik.

Unternehmen, die im Batteriebereich voranschreiten

Viele Unternehmen tragen zur Weiterentwicklung des Feldes bei, und noch mehr werden von diesen Entwicklungen profitieren.

Umicore (UMICY) ist ein solches Unternehmen, das in Batteriematerialien, insbesondere in Kathodentechnologien, tätig ist und sich auf nachhaltige und fortschrittliche Materialien konzentriert. Gleichzeitig ist Lithium Americas Corp. (LAC) ein Lithiumlieferant, und Vale (VALE) ist ein führender globaler Produzent von Eisen und Mangan. Werfen wir nun einen Blick auf einige weitere prominente Namen:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Ein großer Lithiumproduzent, Albemarle, entwickelt Batterietechnologien mit höherer Energiedichte, um Gewicht zu reduzieren und die Reichweite zu erhöhen. Es ist einer der weltweit größten Produzenten von Lithium für EV‑Batterien. Das Angebot des Unternehmens zur Deckung des Bedarfs an sauberer Energie umfasst Kathodenlösungen, Anodenlösungen, Elektrolytlösungen und Batteriekästen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 9,84 Mrd. $, wird Albemarles Aktie derzeit bei 83,66 $ gehandelt, ein Rückgang von 41,6 % im Jahresverlauf. Sie hat ein EPS (TTM) von -4,73, ein KGV (TTM) von -17,67 und eine Dividendenrendite von 1,94 %. Im 2. Quartal 2024 hat das Unternehmen einen Nettoumsatz von 1,4 Mrd. $ und ein bereinigtes EBITDA von 386 Mio. $ gemeldet. Der operative Cashflow lag hingegen bei 363 Mio. $, gegenüber 289 Mio. $ im Vorjahr. Albemarle erzielte zudem über 150 Mio. $ an Produktivitätsvorteilen.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape ist ein Entwickler von Festkörper‑Lithium‑Metall‑Batterien, mit dem Ziel, die Energiespeicherung zu revolutionieren. Das Unternehmen hat das erste anodenlose Zellendesign der Branche entwickelt, das die Materialkosten senkt und eine hohe Energiedichte liefert. In diesem Jahr hat QuantumScape eine Partnerschaft mit Volkswagens Batteriefirma PowerCo geschlossen, die ihnen eine Lizenz zur Massenproduktion von Batteriezellen auf Basis von QuantumScapes Technologieplattform gewährt.

Mit einer Marktkapitalisierung von 2,75 Mrd. $ wird QuantumScapes Aktie derzeit bei 5,51 $ gehandelt, ein Rückgang von 19,78 % im Jahresverlauf. Sie hat ein EPS (TTM) von -0,95 und ein KGV (TTM) von -5,78. Im 2. Quartal 2024 hat das Unternehmen Investitionsausgaben von 18,9 Mio. $ gemeldet, während die GAAP‑Betriebskosten 134,5 Mio. $ betrugen. Die Liquidität lag am Quartalsende bei 938 Mio. $.

Fazit

Angesichts der breiten Nutzung und Marktgröße von Batterien werden neue und fortschrittliche Batterietechnologien intensiv erforscht und entwickelt. Wie in der neuesten Studie gezeigt, zeigte das neue Kathodenmaterial „hohe gravimetrische Energiedichten über 1.100 Wh kg⁻¹ und >70 % Erhaltung über 100 Zyklen“, was den Weg für Kathoden aus erdreichen Elementen wie Mn und Fe öffnet.

Da Lithium‑Ion‑Batterien als ein entscheidender Teil der sauberen Energiewende angesehen werden, sorgen Studien wie diese für ihr weiteres Wachstum und die Preisreduktion, indem sie „kostengünstige, leistungsstarke Kathodenmaterialien“ entwickeln.

Dies weist auf eine vielversprechende Zukunft für die Energiespeicherung hin, mit dem Potenzial, die wachsende globale Nachfrage zu decken und gleichzeitig die Umweltbelastung zu minimieren.

Klicken Sie hier für eine Liste der zehn besten Batterieaktien zum Investieren.