Unabhängig von Leistungs-, Kosten- oder Sicherheitsaspekten sind wiederaufladbare Festkörperbatterien die beste Wahl, um fossile Energie zu ersetzen und letztendlich den Weg zu Fahrzeugen mit neuer Energie zu ebnen.
Als Erfinder von Kathodenmaterialien wie LiCoO2, LiMn2O4 und LiFePO4 ist Goodenough auf dem Gebiet bekanntLithium-Ionen-Batterienund ist wahrlich der „Vater der Lithium-Ionen-Batterien“.
In einem aktuellen Artikel in NatureElectronics lässt der 96-jährige John B. Goodenough die Geschichte der Erfindung der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie Revue passieren und zeigt den weiteren Weg auf.
In den 1970er Jahren brach in den USA eine Ölkrise aus. Als die Regierung ihre übermäßige Abhängigkeit von Ölimporten erkannte, begann sie mit großen Anstrengungen zur Entwicklung von Solar- und Windenergie. Aufgrund der intermittierenden Natur von Solar- und Windenergie,wiederaufladbare Batterienwurden schließlich benötigt, um diese erneuerbaren und sauberen Energiequellen zu speichern.
Der Schlüssel zum reversiblen Laden und Entladen ist die Reversibilität der chemischen Reaktion!
Zu dieser Zeit verwendeten die meisten nicht wiederaufladbaren Batterien negative Lithiumelektroden und organische Elektrolyte. Um wiederaufladbare Batterien zu entwickeln, begann man mit der reversiblen Einbettung von Lithiumionen in geschichtete Übergangsmetallsulfidkathoden. Stanley Whittingham von ExxonMobil entdeckte, dass reversibles Laden und Entladen durch Interkalationschemie unter Verwendung von geschichtetem TiS2 als Kathodenmaterial erreicht werden kann, wobei das Entladungsprodukt LiTiS2 ist.
Diese 1976 von Whittingham entwickelte Zelle erreichte einen guten Anfangswirkungsgrad. Nach mehreren Wiederholungen des Ladens und Entladens bildeten sich jedoch Lithiumdendriten im Inneren der Zelle, die von der negativen zur positiven Elektrode wuchsen und einen Kurzschluss erzeugten, der den Elektrolyten entzünden konnte. Auch dieser Versuch scheiterte!
Währenddessen untersuchte Goodenough, der nach Oxford gezogen war, wie viel Lithium maximal aus den geschichteten Kathodenmaterialien LiCoO2 und LiNiO2 herausgelöst werden konnte, bevor sich die Struktur änderte. Am Ende gelang es ihnen, mehr als die Hälfte des Lithiums reversibel aus dem Kathodenmaterial zu entfernen.
Diese Forschung veranlasste schließlich Akira Yoshino von AsahiKasei, die erste vorzubereitenwiederaufladbarer Lithium-Ionen-Akku: LiCoO2 als positive Elektrode und graphitischer Kohlenstoff als negative Elektrode. Dieser Akku wurde erfolgreich in den ersten Mobiltelefonen von Sony eingesetzt.
Um Kosten zu senken und die Sicherheit zu verbessern. Die wiederaufladbare Feststoffbatterie mit Feststoff als Elektrolyt scheint eine wichtige Richtung für die zukünftige Entwicklung zu sein.
Bereits in den 1960er Jahren arbeiteten europäische Chemiker an der reversiblen Einbettung von Lithiumionen in schichtförmige Übergangsmetallsulfidmaterialien. Zu dieser Zeit waren die Standardelektrolyte für wiederaufladbare Batterien hauptsächlich stark saure und alkalische wässrige Elektrolyte wie H2SO4 oder KOH. Denn in diesen wässrigen Elektrolyten hat H+ ein gutes Diffusionsvermögen.
Zu dieser Zeit wurden die stabilsten wiederaufladbaren Batterien mit geschichtetem NiOOH als Kathodenmaterial und einem stark alkalischen wässrigen Elektrolyten als Elektrolyt hergestellt. h+ konnte reversibel in die schichtförmige NiOOH-Kathode eingebettet werden, um Ni(OH)2 zu bilden. Das Problem bestand darin, dass der wässrige Elektrolyt die Spannung der Batterie begrenzte, was zu einer geringen Energiedichte führte.
Im Jahr 1967 entdeckten Joseph Kummer und NeillWeber von der Ford Motor Company, dass Na+ in Keramikelektrolyten über 300 °C gute Diffusionseigenschaften aufweist. Anschließend erfanden sie eine wiederaufladbare Na-S-Batterie: geschmolzenes Natrium als negative Elektrode und geschmolzene Schwefel enthaltende Kohlenstoffbänder als positive Elektrode. Infolgedessen erfanden sie eine wiederaufladbare Na-S-Batterie: geschmolzenes Natrium als negative Elektrode, geschmolzener Schwefel mit einem Kohlenstoffband als positive Elektrode und eine feste Keramik als Elektrolyt. Aufgrund der Betriebstemperatur von 300 °C war die Kommerzialisierung dieser Batterie jedoch unmöglich.
Im Jahr 1986 realisierte Goodenough mit NASICON eine wiederaufladbare Festkörper-Lithiumbatterie ohne Dendritenerzeugung. Derzeit werden wiederaufladbare Lithium- und Natrium-Festkörperbatterien auf Basis von Festkörperelektrolyten wie NASICON kommerzialisiert.
Im Jahr 2015 demonstrierte MariaHelena Braga von der Universität Porto außerdem einen isolierenden porösen Oxid-Festelektrolyten mit einer Lithium- und Natriumionenleitfähigkeit, die mit den derzeit in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten organischen Elektrolyten vergleichbar ist.
Kurz gesagt, unabhängig von Leistungs-, Kosten- oder Sicherheitsaspekten sind wiederaufladbare Festkörperbatterien die beste Wahl, um fossile Energie zu ersetzen und schließlich den Weg zu Fahrzeugen mit neuer Energie zu ebnen!
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 25. August 2022