Kobalt in Batterien – Alternative und Ersatz

Lithium-Ionen-Batterien haben in den letzten zehn Jahren aufgrund ihrer hohen Leistung und geringen Größe an Popularität gewonnen. Dennoch übt ihre Popularität Druck auf das Angebot an Nickel und Kobalt aus. Dies sind die beiden Metalle, die in lithiumbatterien benötigt werden. Dadurch haben sich die Preise bestimmter Metalle vervierfacht. Da Kobalt das teuerste Material für Batterien ist, sollte es aus der Mischung entfernt werden, damit Elektrofahrzeuge so günstig werden wie Benzinautos. Das Material wird in Lithium-Ionen-Batterien verwendet, die Elektrofahrzeuge antreiben, und die Nachfrage steigt.

3,2 V 20 A Niedertemperatur-LiFePO4-Batteriezelle -40 ℃ 3 C Entladekapazität ≥ 70 % Ladetemperatur: -20 ~ 45 ℃ Entladetemperatur : -40 ~ + 55 ℃ Akupunkturtest bestehen -40 ℃ maximale Entladerate: 3 C

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Die Beschaffungsbeschränkungen bei Kobalt, das hauptsächlich aus der Demokratischen Republik Kongo stammt, machen die Suche nach kostengünstigeren und reichhaltigeren Alternativen mit gleichwertiger Leistung erforderlich, die immer stärker in den Vordergrund rücken. Die unsichere politische Lage im Kongo und angrenzenden Ländern hat zudem zu Preisschwankungen geführt, die bei den Herstellern Besorgnis erregen.

Abgesehen von den monetären Kosten hat der Abbau des Metalls auch menschliche Kosten. Die Demokratische Republik Kongo produziert 60 % des weltweiten Angebots, das mit Kinderarbeit und Todesfällen verbunden ist.

Alternativen zu Kobalt in Batterien

Die Arbeit mit einer anderen Batterie stellt neue Herausforderungen. Der Versuch, weniger Kobalt in Batterien zu verwenden, hat die Nachfrage nach einem anderen Metall erhöht, das es ersetzen kann:

1.Nickel

Hersteller haben versucht, die in Elektroautobatterien verwendete Nickelmenge zu erhöhen, um die Energiedichte zu erhöhen und gleichzeitig den Kobaltverbrauch zu senken, um die Preise zu senken. Das Vorhandensein von mehr Nickel in einer Batterie zeigt an, dass sie mehr Energie speichern kann. Mit jeder Ladung kann die verbesserte Energiedichte zu einer längeren akkulaufzeit für ein Telefon oder einer besseren Reichweite für ein Elektroauto führen.

Eine Erhöhung des Nickelanteils verringert jedoch die Stabilität des akkus, was sich auf die Zyklenlebensdauer und die Fähigkeit zum schnellen Aufladen auswirkt. Es gibt kein besseres Element als Nickel, um die Energiedichte zu erhöhen, und kein besseres Element, um das Material stabil zu halten, als Kobalt“, sagt Marc Grynberg, CEO von Umicore.

Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur Robuster Laptop-Polymer-Akku Batteriespezifikation: 11,1 V 7800 mAh -40℃ 0,2C Entladekapazität ≥80% Staubdicht, sturzsicher, korrosionsbeständig, elektromagnetische Interferenz

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2.Lithium-Eisen-Phosphat

Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien sind deutlich kostengünstiger und haben nicht die gleichen Umweltprobleme wie Batterien, die Kobalt benötigen. Für in China hergestellte Kurzstreckenautos hat sich Tesla entschieden, Lithium-Eisen-Phosphat anstelle von Kobalt zu verwenden. Diese Batterien haben eine geringere Energiedichte, und dies ist ein Nachteil, da die Reichweite eines Autos begrenzt wird, bevor es aufgeladen werden muss. Andere chinesische Unternehmen, insbesondere BYD, der weltweit größte Elektroautohersteller, setzen bereits Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien ein. Wenn weltweit mehr Elektroautohersteller nachziehen, können wir möglicherweise unsere Abhängigkeit von einem endlichen Mineralvorrat verringern.

3.Eisenfluorid

Eine neuartige Kathode aus Eisenfluorid und einem festen Polymerelektrolyt Nanocomposite wurde von Forschern des Georgia Tech entwickelt. Die Kapazität von Eisenfluoriden ist mehr als doppelt so hoch wie die von typischen Kathoden auf Kobalt- oder Nickelbasis. Außerdem kostet Eisen ein Drittel des Kobaltpreises und ein Fünftel des Nickelpreises. Die Forscher stellten eine solche Kathode her, indem sie einen festen Polymerelektrolyten in eine vorgefertigte Eisenfluorid-Elektrode einsetzten. Die gesamte Konstruktion wurde dann heißgepresst, um die Dichte zu erhöhen und Hohlräume zu entfernen.

Da dieser Elektrolyt auf Polymerbasis flexibel ist, kann er das Aufquellen von Eisenfluorid während des Zyklus tolerieren und bildet eine stabile und flexible Zwischenphase mit Eisenfluorid. Schwellungen und Nebenwirkungen waren schon immer ein großes Problem bei der Verwendung von Eisenfluorid in Batterien.

Aus Eisenfluorid aufgebaute Kathoden haben ein großes Potenzial, jedoch haben Volumenschwankungen während der Zyklen sowie parasitäre Nebenreaktionen mit flüssigen Elektrolyten und andere Abbauprobleme ihre Verwendung historisch begrenzt.

Reduzierung von Kobalt in Batterien

Die Industrie hat die Gefahren der Kobaltabhängigkeit erkannt, und viele Batteriehersteller und Endverbraucher haben sich hohe Ziele gesetzt, um auf Kathoden mit oder ohne Kobalt umzusteigen. Es gibt wirtschaftliche, sicherheitsbezogene und soziale Gründe, den Kobaltgehalt zu minimieren. Kobalt wird als Nebenprodukt von Nickel (Ni) und Kupfererzen gewonnen. Dies impliziert, dass das Angebot nicht unabhängig von anderen Rohstoffunternehmen ist und die Umsetzung neuer Erholungsinitiativen kostspielig ist. Darüber hinaus konzentrieren sich die Gewinnung und Verarbeitung im Frühstadium auf wenige Nationen. Daher ist es ratsam, die Kobaltkonzentration in Lithium-Ionen-Batterien deutlich zu senken.

Viele der Forschungsinitiativen konzentrieren sich auf hohe Ni-Materialien mit hoher Energiedichte. Das Problem bei der Verwendung von Kathodenmaterialien mit hohem Ni-Gehalt besteht darin, dass sie aufgrund schädlicher Wechselwirkungen zwischen den Ni-Atomen auf der Kathodenoberfläche und dem Elektrolyten der Zelle unter einem schnellen Kapazitätsschwund und einem Impedanzanstieg leiden. Viele Initiativen sind im Gange, um diese Oberfläche zu stabilisieren oder zu schützen, um solche Reaktionen zu reduzieren.

Ersatz für Kobalt in Batterien

Es wird viel geforscht, um den perfekten Ersatz für Kobalt zu finden, darunter die Verwendung von Vanadatglas und Glaskeramikstrukturen als Kathodenmaterialien für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien. In einer von ACS Sustainable Chemistry & Engineering?2021 durchgeführten Forschung lag die anfängliche Kapazität von Glas- und Glaskeramik-Vanadat-Materialien bei über 300 mA h/g, und die Zyklenstabilität war vielversprechend. Im Vergleich zu kristallinen Äquivalenten, die in der Literatur beschrieben wurden, zeigten Vanadatglas und Glaskeramiken eine gute Geschwindigkeitsleistung und eine tiefere Entladungskapazität (bis hinunter zu 1,5 V). Der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Zusammenhang von Vanadatglas und Glaskeramik als neue Elektroden wurde mit Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersiver Spektroskopie (EDS) und Raman-Spektroskopie untersucht.

Obwohl der glaskeramikhaltige -Li0,33V2O5-Kristall eine größere Startkapazität aufweist, zeigt das amorphe Glasvanadat die beste stabile Zyklenleistung. Trotz der ermutigenden Leistung von glasbasierten Elektroden mit minimaler struktureller Stabilität wurde eine anhaltende Verschlechterung festgestellt. Laut Raman- und EDS-Studien weisen Zellen auf Vanadat-Basis eine Vanadium-Auflösung im Elektrolyten auf, der zur Lithium-Metall-Anode wandert, was ein kritischer Punkt ist, der gelöst werden muss, damit diese Materialien stabiler und kommerziell rentabel sind.

Abschluss

In den letzten Jahren wurde verstärkt daran geforscht, die Menge an Kobalt in Lithium-Ionen-Batterien zu reduzieren oder Kobalt durch alternative Metalle oder Verbindungen in Batterien zu ersetzen. Einige Batteriehersteller haben beispielsweise versucht, die Nickelmenge in Elektroautobatterien zu erhöhen, um einen Teil des Kobalts zu ersetzen.

Experten warnen jedoch davor, dass sie möglicherweise nicht so kostengünstig sind und dass ohne die gleichen Eigenschaften, die Kobalt zu einer so attraktiven Komponente machen, der Ersatz des stark nachgefragten Metalls durch etwas anderes die Produktleistung beeinträchtigen kann. Alternativen, die weniger Kobalt verbrauchen, können mehr Jahre dauern als erwartet, und völlig neue Batterietechnologien sind möglicherweise erst seit Jahrzehnten für kommerzielle Tests bereit.