Forscher stellen Alternativen zu Lithiumbatterien vor

(CN) - Mit zunehmender weltweiter Nachfrage können die für die Herstellung von Batterien erforderlichen Mineralressourcen knapp werden. Forscher des Georgia Institute of Technology geben jedoch an, dass sie möglicherweise eine Alternative zum herkömmlichen Bau von Lithiumbatterien gefunden haben.

Wissenschaftler von Georgia Tech sagen, dass neue Forschungsergebnisse darauf hindeuten, dass mit Kalium und Natrium hergestellte Batterien vielversprechend - und vielleicht sogar besser als Lithium - für die Batteriespeicherung sind.

Das Team veröffentlichte am Dienstag eine Studie im Joule-Magazin, um die Studie über Kalium- und Natriumbatterien zu skizzieren. Es heißt, dass Kalium und Natrium nicht die bevorzugten Ionen für die Zellherstellung sind, da sie anfälliger für Zerfall sind als andere Ionen wie Lithium.

" Aber wir haben festgestellt, dass dies nicht immer der Fall ist", sagte Matthew McDowell, Assistenzprofessor der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, in einer Erklärung.

Wissenschaftler haben die Reaktion von drei Ionen - Lithium, Natrium und Kalium - mit mineralischen Pyritpartikeln untersucht. Sie fanden heraus, dass Pyrit während der Reaktion mit Natrium und Kalium stabiler ist, was darauf hinweisen kann, dass Batterien auf Basis von Natrium- oder Kaliumionen viel länger sein können als bisher angenommen.

Wenn die Batterie geladen und entladen wird, reagieren die Ionen mit den Partikeln, aus denen die Batterieelektrode besteht, und dringen in die Partikel ein. Studien haben gezeigt, dass dieser Prozess dazu führt, dass das Volumen der Elektrodenpartikel stark variiert und sie häufig in kleine Stücke zerlegt. Da Natrium- und Kaliumionen größer als Lithium sind, wird angenommen, dass diese Ionen eine stärkere Verschlechterung der Batterieelektrode verursachen.

Lithium-Ionen-Batterien haben eine hohe Leistungsdichte und relativ niedrige Kosten, was sie zur besten Wahl für tragbare elektronische Geräte, Stromnetze und Energiespeicher für den Anbau von Hybrid- und Elektrofahrzeugen macht.

Laut dem US Geological Survey machen Batterien 39% des weltweiten Lithiumverbrauchs aus.

Wissenschaftler am Georgia Institute of Technology beobachteten chemische Reaktionen mithilfe der Elektronenmikroskopie unter Verwendung von Kalium-, Lithium-, Natrium- und Eisensulfid-Batterieelektroden. Der Studie zufolge fanden sie heraus, dass Eisensulfid bei Reaktion mit Natrium und Kalium stabiler ist als in Lithium.

Matthee Boebinger, ein Doktorand an der Georgia Tech, sagte: "Wir haben eine sehr starke Reaktion gesehen, keine Unterbrechungen - was darauf hinweist, dass dieses und ähnliche Materialien in diesen neuen Batterien verwendet werden können und eine höhere Stabilität aufweisen."

Die Batterie besteht aus drei Hauptkomponenten - der Kathode, der Anode und der Elektrolytlösung. Wenn die Kathode und die Anode verbunden sind, fließen Elektronen von der Anode zur Kathode und erzeugen einen elektrischen Strom.

Lithium ist normalerweise in der Kathode der Batterie vorhanden, während der Elektrolyt normalerweise in Form eines Lithiumsalzes vorliegt. Das Anodenmaterial basiert typischerweise auf Kohlenstoff, typischerweise Graphit. Lithium-Ionen-Batterien können doppelt so viel Strom produzieren wie Alkalibatterien.

"Lithiumbatterien sind immer noch am attraktivsten, weil sie die höchste Energiedichte haben. In diesem Raum kann man viel Energie einpacken", sagte McDowell. „Natrium- und Kaliumbatterien haben zu diesem Zeitpunkt keine höhere Dichte, basieren jedoch auf Elementen, die auf der Erde 1000-mal häufiger vorkommen als Lithium-lithium-batterien. Daher sind sie in Zukunft möglicherweise viel billiger für Energiespeicher in großem Maßstab - für die Familie. Es ist sehr wichtig, das zukünftige Stromnetz mit Notstrom zu versorgen. "

Laut dem US Geological Survey stieg die weltweite Lithiumproduktion im Jahr 2016 um etwa 12%, um der gestiegenen Nachfrage nach Batterieanwendungen gerecht zu werden.

Lithiumreserven sind auf fünf Kontinenten verteilt - Nordamerika, Südamerika, Afrika, Asien und Australien. Südamerika hat die höchste Konzentration und macht etwa 66% der weltweiten Lithiumreserven aus.

Es gibt zwei Hauptmethoden zur Herstellung von Lithium: Salzlösung und Hartgestein. Bei Verwendung von Salzlösung wurde das Mineral in der wässrigen Lösung konzentriert und ist extrahierbar. Hartgesteinsvorräte an Pegmatit wurden auf der ganzen Welt gefunden, aber granitreiche Pegmatite sind ungewöhnlich und machen weniger als 1% der weltweiten Pegmatitvorkommen aus.

Chile ist der zweitgrößte Lithiumproduzent der Welt, wobei die Lithiumreserven an erster Stelle stehen. Die Reserven sind in Salzminen erhalten und die Hauptlagerstätte ist der Salar de Atacama. Das Gebiet umfasst eine Fläche von rund 3.000 Quadratkilometern und verfügt schätzungsweise über 6,8 Millionen Tonnen Lithiumreserven.

Im vergangenen Herbst haben Untersuchungen von Wissenschaftlern der Stanford University gezeigt, dass in Vulkanen in Nordamerika möglicherweise mehr Lithiumreserven vorhanden sind, was dazu beitragen kann, die Abhängigkeit der USA von der internationalen Lithiumversorgung zu verringern.

Obwohl der derzeitige jährliche Lithiumverbrauch im Vergleich zu den geschätzten globalen extrahierbaren Lithiumreserven gering ist, sagen Forscher der Stanford University, dass die Nachfrage nach Lithium bis 2030 kritisch werden könnte. Die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in mobiler Elektronik sowie Hybrid- und Elektrofahrzeugen erfordert die Entdeckung von neuen Lithiumressourcen, um die wachsende Nachfrage zu befriedigen und die globale Lithium-Lieferkette zu diversifizieren.

Studien an der Stanford University haben gezeigt, dass Sedimente in in Kratern konservierten supervulkanischen Seen das Potenzial haben, große Mengen an Lithiumton abzulagern.

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