Innovative Beschichtungstechnik verbessert Kapazität und Stabilität von Lithium-Ionen-Batterien

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte zählen Kathoden aus geschichteten Übergangsmetalloxiden, insbesondere Nickel-Mangan-Kobalt-Oxidkathoden (NMC), zu den gängigsten und vielseitigsten Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. NMC ist jedoch anfällig für verschiedene Degradationseffekte, die den Kapazitätsverlust der Batteriezellen zur Folge haben. Ein vielversprechender Ansatz, diesen Mechanismen entgegenzuwirken und so die elektrochemische Leistung, die thermischen Eigenschaften und die strukturelle Stabilität der Oberfläche zu verbessern, ist die Oberflächenbeschichtung der Kathodenmaterialien. In einer neuen Studie hat ein Team des MEET Batterieforschungszentrums und des Instituts für Materialphysik der Universität Münster erstmals eine innovative Technik angewandt, die nicht nur die direkte Beschichtung, sondern auch die Kontrolle der Beschichtungsdicke ermöglicht.

Beschichtete NMC-Kathoden im Vorteil

Die Ursachen für den Kapazitätsverlust von NMC-Kathoden sind vielfältig: Neben der Feuchtigkeitsaufnahme und der Entwicklung von Sauerstoff können sich beispielsweise Verunreinigungen an der Partikeloberfläche bilden oder Übergangsmetalle auflösen. Darüber hinaus können während der Lade- und  Entladezyklen oder bei erhöhten Temperaturen Partikel reißen. Um diesen Effekten vorzubeugen, haben die Wissenschaftler die NMC-Kathoden mit einer schützenden Schicht aus Aluminiumoxid beschichtet. Erstmals haben sie dafür eine am MEET Batterieforschungszentrum entwickelte Technik eingesetzt, die auf dem Hochfrequenz-Magnetronsputtern basiert. „Die so entstandenen Beschichtungen sind homogen, weisen eine gute Oberflächenabdeckung auf und lassen sich in ihrer Dicke kontrollieren“, erklärt Atif Javed, Doktorand am MEET Batterieforschungszentrum und der internationalen Forschungsschule BACCARA (Batterie-Chemie, Charakterisierung, Analyse, Recycling und Anwendung).

Das Ergebnis: Die Zellen mit beschichteten NMC-Kathoden konnten mehr Kapazität während des Ladens und Entladens erhalten als Zellen mit unbeschichteten Kathoden. Zudem punkteten sie durch eine erhöhte thermische Stabilität, eine geringere strukturelle Degradation und eine weniger ausgeprägte Partikelrissbildung. „Mit unserer Studie haben wir einerseits den Weg dafür geebnet, die neue Beschichtungstechnik je nach Anforderungsprofil auch für andere Materialien zu erforschen“, so Javed. „Andererseits zeigen die Ergebnisse, dass die Lithium-Ionen-Batterie das Potenzial hat, noch weiter verbessert zu werden.“

Studie im Fachmagazin „Batteries & Supercaps“ veröffentlicht

Autoren der Studie sind die Forschenden Atif Javed, Feleke Demelash, Egy Adhitama, Bastian Heidrich und Dr. Markus Börner (MEET Batterieforschungszentrum), Prof. Dr. Martin Winter (MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster) sowie Ardavan Makvandi, Dr. Martin Peterlechner und Prof. Dr. Gerhard Wilde (Institut für Materialphysik der Universität Münster). Die gesamte Studie wurde als Open-Access-Artikel im Magazin „Batteries & Supercaps“ veröffentlicht.