Zucker-basierte Bindemittel ermöglichen wässrige Kathodenprozessierung
In der EU wird derzeit ein Verbot von per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) diskutiert, da die Chemikalien sich aufgrund ihrer hohen Persistenz in Organismen und Umwelt ablagern und kaum abbaubar sind. Diese Stoffe werden auch als Elektroden-Bindemittel in der Batterieproduktion eingesetzt. Eine nachhaltige und abbaubare Alternative dazu sind Biopolymere, insbesondere Polysaccharide. In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums untersucht, inwieweit diese aus der Nahrungsmittelchemie und Pharmazie bekannten Zuckergruppen als funktionalisierte Binder die wässrige Verarbeitung von nickel-reichen Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxiden (NCMs) als Kathoden in hochenergetischen Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) ermöglichen können.
Modifizierte Polymer-Binder verbessern NCMs
Noch ist die Degradation der wasserempfindlichen nickel-reichen Schichtoxidkathoden (NCM), der sich negativ auf die Lebensdauer der Zellen auswirkt, eine Herausforderung für die Forschung. Neben Beschichtungen und Verarbeitungsadditiven können auch maßgeschneiderte Bindemittel die Performanz der Batteriesysteme beeinflussen. „Um den Einfluss der unterschiedlich modifizierten, anionischen Binder auf die Zyklisierung systematisch untersuchen zu können, d.h. um andere relevante Faktoren wie z.B. Änderung des NCM-Kompositnetzwerks auszuschließen, haben wir hochviskoses Xanthan und niedrigviskoses Pullulan ausgewählt. Beide Polymere zusammen weisen eine konstante Viskosität auf, so dass vergleichbare Analysen der Performanz endlich möglich sind“, erklärt MEET Wissenschaftler Simon Albers den Forschungsansatz des dualen Binders.
Einer dieser funktionalisierten Binder beeinflusste die NCM||Graphit-Zykluslebensdauer positiv, wobei ein höherer Substitutionsgrad von carboxymethyliertem Pullulan sogar mit dem hochmodernen System aus N-Methyl-2-Pyrrolidon/Polyvinylidendifluorid bei einer konventionellen oberen Ladespannung von 4,2 V konkurrieren konnte. „Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass eine wässrige, nachhaltige Batterieproduktion in Bezug auf die Performanz der Zellen mit herkömmlichen Herstellungsprozessen mithalten kann“, fasst Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereich Materialien des MEET Batterieforschungszentrums, das Ergebnis der Studie zusammen.
Detaillierte Ergebnisse online abrufbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Simon Albers, Jens Timmermann, Tobias Brake, Anindityo Arifiadi, Anna Isabella Gerlitz, Dr. Markus Börner und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster im Fachmagazin „Advanced Energy & Sustainabilty Research” veröffentlicht.