Modifikation von Nickel-reichen NCM-Kathoden stark vereinfacht
Nickel-reiche Schichtoxide wie Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM) mit einem Nickelanteil von bis zu 90 Prozent weisen auf Materialebene eine höhere Energiedichte auf als aktuell verwendete Materialen. Darüber hinaus benötigen sie eine geringere Menge des kritischen Rohstoffs Kobalt. Sie gelten daher als geeignetes Kathodenmaterial für hochenergetische Lithium-Ionen-Batterien. Der hohe Nickelanteil führt jedoch auch zu einem Materialstress, der die Lebensdauer der Batteriezellen stark beeinträchtigt. Ansätze, den Materialstress zu lindern, bestehen darin, die Kathoden via Dotierungen oder Beschichtungen mit beispielsweise Wolfram zu modifizieren. Wie der Modifikationsprozess effizient gestaltet und vereinfacht werden kann, haben Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums und des Instituts für Materialphysik der Universität Münster nun in einer aktuellen Untersuchung gezeigt.
Bereits Vorstufe des NCM mit Wolfram beschichten
Der bisherige Prozess ist sowohl mit enormem Aufwand als auch mit hohen Kosten verbunden. Um ihn zu vereinfachen, hat das Forschungsteam nicht das NCM selbst, sondern bereits seine Vorstufe mit Wolfram beschichtet. „Da die Vorstufe aus Hydroxiden besteht, ist die Modifikation in Wasser möglich, welches im Anschluss einfach verdunstet“, erklärt MEET Wissenschaftler Marcel Heidbüchel. Das dadurch entstandene NCM zeichnet sich nicht nur durch eine erhöhte Kristallstabilität aus, sondern verfügt aufgrund der verlängerten Morphologie der Primärpartikel auch über eine verbesserte mechanische Stabilität. Auf diese Weise wird eine Lebensdauer von mehr als 500 Zyklen erreicht. Im Vergleich: Zuvor waren es etwa 200 Zyklen.
Dr. Johannes Kasnatscheew, der den Forschungsbereich Materialien des MEET Batterieforschungszentrums leitet, ordnet die Ergebnisse ein: „Wir haben zum einen gezeigt, dass NCM als Kathodenmaterial mit einem Nickelanteil von bis zu 90 Prozent ohne großen zusätzlichen Aufwand verwendet werden kann. Zum anderen wird deutlich, wie wichtig die Morphologie der Primärpartikel für die mechanische Stabilität und Lebensdauer der Batteriezellen ist.“ Damit leisteten die Wissenschaftler*innen einen wichtigen Beitrag für die Forschung an Kathoden der nächsten Generation.
Detaillierte Ergebnisse online abrufbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Marcel Heidbüchel, Dr. Aurora Gomez-Martin, Lars Frankenstein und Dr. Johannes Kasnatscheew, 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, im Fachmagazin „Small Science” veröffentlicht. Die Arbeit enthält Ergebnisse des Forschungsprojekts "SeNSE", das durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union finanziert wird.