Dotierung mit Bor verbessert elektrochemische Eigenschaften von Kathodenmaterialien
Die Performanz von Lithium-Ionen-Batterien kann durch die Kapazität der Kathodenmaterialien wie nickelhaltige Schichtoxide limitiert werden. Eine effektive Strategie, um deren elektrochemische Eigenschaften zu verbessern, besteht darin, sie zu dotieren und ihnen somit Fremdatome hinzuzufügen. In einer internationalen Studie unter Federführung des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat ein Wissenschaftsteam das Halbmetall Bor in die tetraedrische Struktur der nickelreichen Schichtoxide (NCM811) eingeführt. Auf diese Weise konnten die Forschenden die Kapazität und Zyklenstabilität der Batteriezellen deutlich verbessern.
Direkte Dotierung mit Bor anstelle von Oberflächenbeschichtung
Um die Kathodenvormaterialien passgenau zu synthetisieren, nutzten die Wissenschaftler*innen die Methode der Kopräzipitation. Sie kontrollierten Temperatur, pH-Wert, Konzentration und Rührgeschwindigkeit der Lösung sorgfältig, um eine gleichmäßige Partikelgröße und Zusammensetzung sicherzustellen. „Dieser Prozess lässt sich künftig auch für die industrielle Produktion hochskalieren“, erklärt Dr. Bixian Ying vom MEET Batterieforschungszentrum den Ansatz. Noch während der Kopräzipitation – im Unterschied zur sonst gängigen späteren Oberflächenbeschichtung – fügten die Forschenden das Halbmetall Bor dem synthetisierten Kathodenmaterial bei. Dies führte zu einem induktiven Effekt auf die in den Schichtoxiden enthaltenden Bindungen von Übergangsmetallen, Sauerstoff und Bor. Diese Wirkung verzögerte wiederum deren strukturellen Zusammenbruch und reduzierte die Sauerstofffreisetzung. Das Ergebnis: eine verbesserte Zyklenleistung der Batteriezellen.
„Mit Hilfe der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie haben wir die elektronische Struktur und die Bindungseigenschaften der einzelnen Materialien genau analysiert, um ihren Einfluss besser verstehen zu können“, sagt Ying. Auch die exakte kristallografische Position des Bors konnte das Team erstmals mittels Neutronen-Pulverbeugung mit dem Bor-Isotop genau bestimmen.
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Bixian Ying, Zhenjie Teng und Karin Kleiner, MEET Batterieforschungszentrum, Anatoliy Senyshyn, Technische Universität München, Maxim Avdeev, Australian Nuclear Science and Technology Organisation und Universität Sydney, Adrian Jonas, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Jiali Peng, Sylvio Indris, Oleksandr Dolotko, Helmut Ehrenberg, Michael Merz, Peter Nagel und Stefan Schuppler, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Søren Bredmose Simonsen, Technische Universität Dänemark, Richard Schmuch, Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB, Peng Yan, Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, sowie Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „Small” veröffentlicht.