Kobalt gilt als Problemstoff der Lithium-Ionen-Batterien: Das Kathodenmaterial ist teuer und zudem oftmals fragwürdiger Herkunft. Doch auch das in den Elektrolyten enthaltene Hexafluorophosphat (PF6-), ein Fluorsalz, ist nicht ohne. Zwar hält es die Batterie langfristig stabil und ermöglicht hohe Zellspannungen. Im Kontakt mit Wasser oder an feuchter Luft zerfällt die Verbindung jedoch zu giftigem, stark ätzendem Fluorwasserstoff (HF). Während die Batterie in Betrieb ist, muss sie also in einer vollkommen dichten, luftundurchlässigen Hülle stecken – andernfalls emittiert sie giftige Fluor-Verbindungen. Spätestens beim Recycling wird jedoch die luftdichte Hülle aufgeschlitzt. Der nun entstehende Fluorwasserstoff macht das Recycling kompliziert und teuer.
Die Schweizer Materialforschungsanstalt Empa hat deshalb ein Forschungsprojekt namens „Fluoribat“ gestartet, das dieses Problem lösen soll. In diesem Zuge haben die Forscher einen neuen, nicht-brennbaren wasserbasierten Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, der mit bereits heute gebräuchlichen Elektrodenmaterialien in den Akkus kompatibel ist. „Unsere Zellen weisen nach 200 Lade- und Entladezyklen noch mehr als 80 Prozent der Anfangskapazität auf“, sagt Empa-Batterieforscher Maximilian Becker.
Das gegenüber Wasser stabile Lithiumsalz, das die Empa in ihren experimentellen Batteriezellen verwendet, könnte nach Einschätzung der Forscher im Großmaßstab zu konkurrenzfähigen Preisen hergestellt werden. Für eine erfolgreiche Kommerzialisierung müsse allerdings noch die Langzeitstabilität verbessert werden. Doch wenn sich diese Hürde überwinden lässt, könnte eine solche Batterie wesentlich kostengünstiger produziert und am Ende ihres Lebens recycelt werden, erwarten die Schweizer Wissenschaftler – eine absolut trockene Umgebung ist für beide Arbeitsschritte dann nicht mehr notwendig.
Wasser-basiertes Recycling von alten Lithium-Ionen-Akkus eröffnet zugleich neue Chancen für eine Kreislaufwirtschaft. Wenn sich die Elektrolyt-Salze aus Batterien auf einfache Weise wiedergewinnen lassen, kann das darin enthaltene Fluor für neue Batterien verwendet werden – ein zunehmend wichtiger Aspekt bei der zu erwartenden Menge an Akkus. Eine Analyse der Empa-Abteilung „Technologie und Gesellschaft“ soll nun zeigen, welche Vorteile Batterien haben, die auf wasserunempfindlichen Fluor-Salzen basieren. In der Studie soll diese neue Generation von Akkus hinsichtlich Sicherheit und Umwelt mit Akkus der heutigen Generation verglichen werden. Die Empa ist Partner im Europäischen Projekt Battery2030+, das die Batterieforschungsaktivitäten auf europäischer Ebene koordinieren wird.
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Ich frage mich gerade, wie ein wasserbasierter Elektrolyt die hohen, für Lithium Ionen Akkus typischen Spannungen von mehr als 3 Volt aushalten soll?