Neuer Batteriedurchbruch: Steinsalz-Polyanion-Kathoden

Neue Forschungen haben Fortschritte bei der Erhöhung der praktischen Energiedichte der Batterie gemacht.

Demand for batteries is on the rise worldwide, thanks to their increasing use in the automotive industry, the growing popularity of portable consumer electronics, and stringent environmental regulations. As a result, the global battery market is projected to reach $800 billion by 2036, up from about $120 billion in 2023.

Die Nachfrage nach Batterien steigt weltweit aufgrund ihres zunehmenden Einsatzes in der Automobilindustrie, der wachsenden Beliebtheit tragbarer Unterhaltungselektronik und strenger Umweltvorschriften. Infolgedessen wird der globale Batteriemarkt bis 2036 voraussichtlich 800 Milliarden US-Dollar erreichen, gegenüber etwa 120 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023.

In light of this expected growth, researchers are continuously developing and testing new materials and chemicals to improve critical parts of batteries, which affect properties such as energy output, energy storage, power capacity, and cycling capacity.

Angesichts dieses erwarteten Wachstums entwickeln und testen Forscher kontinuierlich neue Materialien und Chemikalien, um kritische Teile von Batterien zu verbessern, die sich auf Eigenschaften wie Energieabgabe, Energiespeicherung, Leistungskapazität und Zyklenkapazität auswirken.

These components include a cathode (positive electrode), an anode (negative electrode), an electrolyte (for ion transportation between electrodes), and a separator.  

Zu diesen Komponenten gehören eine Kathode (positive Elektrode), eine Anode (negative Elektrode), ein Elektrolyt (für den Ionentransport zwischen Elektroden) und ein Separator.

Most battery-powered devices today, such as EVs, smartphones, and energy storage systems, rely on lithium-ion battery technology. Lithium-ion batteries can store a huge amount of energy in compact sizes, charge fast, and last long.

Die meisten batteriebetriebenen Geräte wie Elektrofahrzeuge, Smartphones und Energiespeichersysteme basieren heute auf der Lithium-Ionen-Batterietechnologie. Lithium-Ionen-Batterien können in kompakter Größe große Energiemengen speichern, schnell aufgeladen werden und lange halten.

However, with the growing demand for batteries with greater capabilities, new technologies are being researched and developed to improve efficiency, reduce cost, enhance safety, and promote sustainability.

Angesichts der wachsenden Nachfrage nach Batterien mit größerer Leistungsfähigkeit werden jedoch neue Technologien erforscht und entwickelt, um die Effizienz zu verbessern, Kosten zu senken, die Sicherheit zu erhöhen und die Nachhaltigkeit zu fördern.

Over the years, continuous research has led to advancements that offer promising alternatives to lithium-ion and lead-acid batteries. 

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

Sodium-ion batteries offer a more affordable and safer option that performs better at lower temperatures. These batteries are similar to lithium-ion batteries but utilize saltwater as an electrolyte, making them more suitable for energy storage, though they are yet to be optimized. Researchers are even using electrolyte gel to make nanowires more resilient and fit for battery use. 

Natriumionenbatterien bieten eine günstigere und sicherere Option, die bei niedrigeren Temperaturen eine bessere Leistung erbringt. Diese Batterien ähneln Lithium-Ionen-Batterien, nutzen jedoch Salzwasser als Elektrolyt, wodurch sie sich besser für die Energiespeicherung eignen, obwohl sie noch optimiert werden müssen. Forscher nutzen sogar Elektrolytgel, um Nanodrähte widerstandsfähiger und batterietauglicher zu machen.

Solid-state batteries, on the other hand, use a solid electrolyte such as glass, ceramic, or polymer instead of gel or liquid electrolyte. These batteries are far more efficient, weigh less, charge faster, and are already being used in smartphones and pacemakers. Toyota and BMW are currently working on launching solid-state battery-powered cars, though it will still take a few years.

Festkörperbatterien hingegen verwenden einen festen Elektrolyten wie Glas, Keramik oder Polymer anstelle von Gel oder flüssigem Elektrolyten. Diese Akkus sind weitaus effizienter, wiegen weniger, laden schneller und werden bereits in Smartphones und Herzschrittmachern eingesetzt. Toyota und BMW arbeiten derzeit an der Einführung festkörperbatteriebetriebener Autos, allerdings wird es noch einige Jahre dauern.

New battery technologies further include lithium-sulfur batteries, which are cost-efficient but have a durability limitation, and cobalt-free lithium-ion batteries, which can help address human rights concerns in cobalt mining. However, alternatives like TAQ are still new and need more testing.

Zu den neuen Batterietechnologien gehören außerdem Lithium-Schwefel-Batterien, die kosteneffizient sind, aber eine begrenzte Haltbarkeit haben, und kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterien, die dazu beitragen können, Menschenrechtsbedenken beim Kobaltabbau auszuräumen. Allerdings sind Alternativen wie TAQ noch neu und erfordern weitere Tests.

Zinc-based batteries are also being explored, with technologies including zinc-manganese dioxide, zinc-air, zinc-bromine, and zinc-ion batteries. However, they are inefficient, sometimes involve unexpected chemical conversion reactions, and are expensive to manufacture, requiring more research.

Auch Batterien auf Zinkbasis werden erforscht, wobei Technologien wie Zink-Mangandioxid-, Zink-Luft-, Zink-Brom- und Zink-Ionen-Batterien zum Einsatz kommen. Sie sind jedoch ineffizient, beinhalten manchmal unerwartete chemische Umwandlungsreaktionen und sind teuer in der Herstellung, was weitere Forschung erfordert.

As the world increasingly relies on batteries, scientists globally are focused on achieving breakthroughs in storage times, power output, production costs, and instant readiness.

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

Latest Battery Breakthrough: Rock Salt-polyanion Cathodes 

Neuester Batteriedurchbruch: Steinsalz-Polyanion-Kathoden

New research has made an advancement in increasing the practical energy density of the battery. Published in Nature Energy late last month, the study titled “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling,” was conducted by the MIT Department of Nuclear Science and Engineering.

Neue Forschungen haben Fortschritte bei der Erhöhung der praktischen Energiedichte der Batterie gemacht. Die Ende letzten Monats in Nature Energy veröffentlichte Studie mit dem Titel „Integrierte Steinsalz-Polyanion-Kathoden mit überschüssigem Lithium und stabilisiertem Kreislauf“ wurde vom Department of Nuclear Science and Engineering des MIT durchgeführt.

The study focuses on a new cathode material found in disordered rock salt, which has been studied as an advanced cathode material for use in lithium-ion batteries for over a decade. 

Die Studie konzentriert sich auf ein neues Kathodenmaterial, das in ungeordnetem Steinsalz gefunden wird und seit über einem Jahrzehnt als fortschrittliches Kathodenmaterial für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien untersucht wird.

MIT researchers made sure that the material can create high-energy, low-cost storage for EVs, mobile phones, and renewable energy storage.

MIT-Forscher stellten sicher, dass das Material hochenergetische und kostengünstige Speicher für Elektrofahrzeuge, Mobiltelefone und Speicher für erneuerbare Energien schaffen kann.

Led by Ju Li, the Tokyo Electric Power Company Professor in Nuclear Engineering, the team discovered DRXPS, or disordered rock salt-polyanionic spinel, as the new material.

Unter der Leitung von Ju Li, Professor für Nukleartechnik bei der Tokyo Electric Power Company, entdeckte das Team DRXPS oder ungeordneten Steinsalz-polyanionischen Spinell als neues Material.

This new category of partially disordered rock salt cathode, integrated with polyanions, is found to deliver high energy density at high voltages with enhanced cycling stability. This is a great achievement, given that there is typically a trade-off between energy density and cycling stability in cathode materials.

Es wurde festgestellt, dass diese neue Kategorie teilweise ungeordneter Steinsalzkathoden mit integrierten Polyanionen eine hohe Energiedichte bei hohen Spannungen mit verbesserter Zyklenstabilität liefert. Dies ist eine großartige Leistung, wenn man bedenkt, dass bei Kathodenmaterialien typischerweise ein Kompromiss zwischen Energiedichte und Zyklenstabilität besteht.

“With this work, we aim to push the envelope by designing new cathode chemistries.”

„Mit dieser Arbeit wollen wir neue Maßstäbe setzen, indem wir neue Kathodenchemien entwickeln.“

– Yimeng Huang, the paper’s first author, a postdoc at the NSE

– Yimeng Huang, der Erstautor des Artikels, Postdoc am NSE

Now, how is the new material family able to achieve both high energy density and good cycling stability? The answer lies in the integration of two key cathode materials — rock salt and polyanionic olivine. By combining them, it was able to get both of their benefits.

Wie gelingt es nun mit der neuen Materialfamilie, sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine gute Zyklenstabilität zu erreichen? Die Antwort liegt in der Integration zweier wichtiger Kathodenmaterialien – Steinsalz und polyanionisches Olivin. Durch die Kombination konnten beide Vorteile genutzt werden.

Another thing at play here is manganese (Mn), a hard, silvery metal found in abundance on Earth and much cheaper than other elements currently used in today’s cathodes. 

Eine andere Sache, die hier eine Rolle spielt, ist Mangan (Mn), ein hartes, silbriges Metall, das auf der Erde in großen Mengen vorkommt und viel billiger ist als andere Elemente, die derzeit in heutigen Kathoden verwendet werden.

For example, Manganese is about thirty times less expensive than Cobalt (Co) and five times less expensive than Nickel (Ni), both of which are commonly used in batteries. Additionally, Manganese plays a crucial role in achieving higher energy densities. 

Mangan ist beispielsweise etwa dreißigmal günstiger als Kobalt (Co) und fünfmal günstiger als Nickel (Ni), die beide üblicherweise in Batterien verwendet werden. Darüber hinaus spielt Mangan eine entscheidende Rolle bei der Erzielung höherer Energiedichten.

“(Having such a) material be much more earth-abundant is a tremendous advantage.”

„(Ein solches) Material viel häufiger auf der Erde zu haben, ist ein enormer Vorteil.“

– Li, a professor of materials science and engineering

– Li, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen

This advantage, according to the researchers, is of great value to a zero-carbon future which requires renewable energy infrastructure. 

Dieser Vorteil ist den Forschern zufolge von großem Wert für eine CO2-freie Zukunft, die eine Infrastruktur für erneuerbare Energien erfordert.

Batteries can play an important

Batterien können eine wichtige Rolle spielen