Ideal für Batterien und Mikroelektronik 10. Jun 2020 Von Peter Kellerhoff/RUB

Kobalt 2.0

Die Ruhr-Universität Bochum (RUB) und die Carleton University in Ottawa entwickeln eine Kobaltverbindung mit einer außergewöhnlichen Stabilität.

David Zanders und Anjana Devi (re.) freuen sich über die außergewöhnliche Entdeckung. „Diese binationale Zusammenarbeit beruht auf der Eigeninitiative von David Zanders und hat Einfallsreichtum sowie sich ergänzende Expertise der Chemiker aus Bochum und Ottawa kombiniert. Das hat etwas Unerwartetes hervorgebracht und war der Schlüssel zum Erfolg“, fasst Anjana Devi zusammen.
Foto: RUB, Marquard

Weder Smartphones, Laptops oder Elektroautos würden ohne Lithium-Ionen-Batterien funktionieren. Neben Lithium ist Kobalt das Material, das einer Batterie Leben einhaucht. Das spröde Schwermetall wird benötigt, um die Energiedichte zu erhöhen und kurze Ladezeiten zu ermöglichen, denn es leitet Strom extrem gut. Der weltweite Bedarf beträgt derzeit rund 110 000 t pro Jahr und wird sich nach Berechnungen der Deutschen Rohstoffagentur (Dera) weiter „hochdynamisch“ entwickeln. Mit dem Hochfahren der Elektromobilität wird 2026 mit einem Bedarf von bis zu 225 000 t pro Jahr gerechnet, in manchen Auto-Akkus steckt kiloweise Kobalt. Und es gilt: Je reiner das Kathodenmaterial, desto mehr leistet die Batterie und desto länger hält sie.

Vielseitige Kobaltverbindung

Eine neuartige, sehr vielseitige Kobaltverbindung hat ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der Carleton University in Ottawa (Kanada) hergestellt. Die Moleküle der Verbindung sind stabil, räumlich sehr kompakt und haben ein geringes Molekulargewicht, sodass sie für die Herstellung von Dünnschichten verdampft werden können. Das macht sie interessant für Anwendungen zum Beispiel im Bereich der Batterie- oder Akku-Herstellung. Aufgrund ihrer besonderen Geometrie verfügt die Verbindung zudem über eine sehr außergewöhnliche Elektronen-Spinkonfiguration von ½. Eine solche Kobaltverbindung war zuletzt 1972 beschrieben worden.

Die Geometrie macht den Unterschied

„Die wenigen bekannten Kobalt(IV)-Verbindungen sind bei hohen Temperaturen instabil und sehr empfindlich gegenüber Luft und Feuchtigkeit. Das erschwert ihre Verwendung als Studiensysteme oder in der Materialsynthese“, erläutert Erstautor David Zanders von der Bochumer Arbeitsgruppe Chemie Anorganischer Materialien unter seiner Professorin Anjana Devi. Im Rahmen seiner binationalen Promotion entdeckte er mit seinen kanadischen Kollegen Seán Barry und Goran Bačić eine Kobalt(IV)-Verbindung, die über eine ungewöhnliche Stabilität verfügt.

Rechtwinklige Einbettung des Kobaltatoms

Mit theoretischen Studien konnte das Team darlegen, dass eine nahezu rechtwinklige Einbettung des zentralen Kobaltatoms in ein tetraedrisch angeordnetes Umfeld aus zusammenhängenden Atomen – sogenannten Liganden – der Schlüssel zur Stabilisierung der Verbindung ist. Diese besondere geometrische Ordnung innerhalb der Moleküle der neuen Verbindung erzwingt außerdem den außergewöhnlichen Elektronenspin des zentralen Kobaltatoms. „Unter diesen besonderen Umständen kann der Spin nur ½ sein“, verdeutlicht Zanders. Eine Kobaltverbindung mit diesem Spinzustand und ähnlicher Geometrie wurde seit fast 50 Jahren nicht mehr beschrieben.

Großes Potenzial für Batterien

Mit einer Reihe von Experimenten zeigte das Team darüber hinaus, dass die Verbindung – untypisch für Kobalt(IV) – eine hohe Flüchtigkeit besitzt und bei Temperaturen bis 200 °C nahezu ohne Zersetzung verdampft werden kann. Einzelne Moleküle der Verbindung docken nach der Verdampfung auf eine kontrollierbare Art auf Oberflächen an. „Damit ist das wichtigste Kriterium einer potenziellen Vorstufe für die Atomlagenabscheidung erfüllt“, stellt Seán Barry fest. „Dieses Verfahren wird in der Industrie bei der Materialherstellung immer wichtiger, und unsere Kobalt(IV)-Verbindung ist die erste ihrer Art, die dafür geeignet ist.“ Anjana Devi ergänzt: „Da den hochvalenten Oxiden und Sulfiden des Kobalts beispielsweise in der modernen Batterie- und Mikroelektronik großes Potenzial zugeschrieben wird, ist unsere Entdeckung umso reizvoller.“ Die Elektroden in wiederaufladbaren Batterien verlieren nämlich mit der zunehmenden Anzahl an Lade- und Entladevorgängen an Stabilität, weswegen die Forschung nach stabileren und somit langlebigeren Materialien dafür sucht.

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