Nickel-reiche „Einkristall“-Partikel erhöhen Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien
Die Partikel von Nickel-reichen Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid-Kathoden (NCM) zu modifizieren, ist eine wirksame Methode, um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. Sie bestehen bisher in der Regel aus mikrometergroßen Sekundärpartikeln, sogenannten polykristallinen Partikeln, die Agglomerate aus Hunderten von nanometergroßen Primärpartikeln sind. Derzeit tendiert die Forschung in Richtung „Einkristall“‑Partikel, bei denen es sich auch um Agglomerate handelt, bestehend aus separierten, monolithischen Partikeln im Mikrometer-Maßstab. Dieser Ansatz ist mechanisch stabiler und verhindert das wiederholte Aufbrechen der Partikel während der Zyklisierung. Daher ist er besonders für das von diesem Problem geplagte Nickel-reiche NCM geeignet. Im Zuge einer deutsch‑taiwanesischen Forschungskooperation haben Wissenschaftler*innen der Universität Münster und der National Taiwan University of Science and Technology nun in einem systematischen Vergleich untersucht, ob und welche Vorteile dieser Ansatz bei nickel-reichem NCM bietet.
Fairer Vergleich von „Einkristall-“ und polykristallinen Partikeln
Um einen fairen Vergleich auf Materialebene zu gewährleisten, wählten die Forschenden eine Synthese aus demselben Ausgangsmaterial. Auf diese Weise unterscheiden sich die Materialien neben dem gewünschten Unterschied in der Partikelform in ihren sonstigen Eigenschaften kaum. Des Weiteren mussten die Zyklisierungsbedingungen so angepasst werden, dass alle Materialien den gleichen Ladezustand aufweisen. Die kinetische Limitierung der „Einkristall“‑Materialien führt zu einem niedrigeren Ausgangsladezustand, was sich bereits positiv auf die Lebensdauer auswirken kann. „Indem wir den Ladezustand und nicht wie üblich die Spannungsgrenzen konstant halten, verhindern wir mögliche Fehlinterpretationen“, sagt MEET Wissenschaftler Marco Joes Lüther. „In Kombination mit der Wahl der Synthese sorgt diese Vorgehensweise dafür, dass die erhöhte Lebensdauer allein auf die „Einkristall“‑Partikelform zurückzuführen ist.“ Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereichs Materialien am MEET Batterieforschungszentrum, ergänzt: „Unsere Vorgehensweise kann nun auch als Vorlage dienen, um andere Kathodenmaterialien systematisch miteinander zu vergleichen.“
Gesamte Studie online verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse haben die Forschenden Marco Joes Lüther, Dr. Aurora Gomez-Martin, Julius Buchmann, Dr. Richard Schmuch, Dr. Tobias Placke und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, Dr. Martin Alexander Lange, Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Münster, sowie Shi-Kai Jiang und Prof. Dr. Bing Joe Hwang, National Taiwan University of Science and Technology, im Fachmagazin „Small Structures” veröffentlicht. Die Arbeit enthält Ergebnisse des Forschungsprojekts „LiBEST2“, das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert wurde.