Längere Lebensdauer nachhaltiger Kathoden aus ungeordnetem Steinsalz

Kathoden aus ungeordnetem Steinsalz (DRX) haben das Potenzial, sowohl nachhaltig als auch hochperformant zu sein. Denn sie weisen eine hohe spezifische Anfangskapazität und eine flexible chemische Zusammensetzung auf. Gleichzeitig werden Übergangsmetalle wie Mangan und Eisen eingesetzt, die häufiger vorkommen, kostengünstiger und weniger toxisch sind als Nickel und Kobalt in den derzeit gängigen Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan (NCM)-Elektroden. Die praktische Anwendung scheitert bisher an der geringen Zykluslebensdauer. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich und des State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces der Universität Xiamen, China, hat nun erforscht, welchen Einfluss der Elektrolyt auf den Kapazitätsabfall der Kathoden hat und wie unterschiedliche Elektrolytlösungen die elektrochemische Leistung der Batterie verbessern können.

Karbonatbasierter Elektrolyt vs. Ionischer Flüssigelektrolyt mit Solvathülle

Bisher konzentrierte sich die Forschung darauf, die Lebensdauer von Kathoden aus ungeordnetem Steinsalz zu optimieren, indem etwa dessen strukturelle Eigenschaften angepasst wurden. Der Einfluss des Elektrolyten wurde nur in geringem Maße analysiert, obwohl der konventionelle Elektrolyt auf Karbonatbasis während des Batteriebetriebs zersetzt wird – indem er mit durch anionische Redoxreaktionen der Kathode freigesetztem Sauerstoff reagiert. „Aus diesem Grund haben wir untersucht, inwiefern ein chemisch stabilerer solvatisierter ionischer Flüssigelektrolyt die elektrochemische Leistung dieses Batterietyps verbessern kann“, erklärt Wissenschaftler Lennart Wichmann, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster.

Mithilfe umfangreicher analytischer Methoden kam das Forschungsteam zu dem Ergebnis, dass ein solvatisierter ionischer Flüssigelektrolyt die Kapazität von Lithium-Ionen- wie auch Lithium-Metall-Batterien mit ungeordneter Steinsalzkathode deutlich verbessert, da beispielsweise Grenzflächenwiderstände stabil bleiben. „Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt, die Optimierung von Kathoden aus ungeordnetem Steinsalz ohne Nebeneffekte der Elektrolytzersetzung zu betrachten, an die nun weitere Forschung anschließen muss“, sagt Wichmann.

Komplette Studie frei verfügbar

Die detaillierten Forschungsergebnisse haben Lennart Wichmann und Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, Jan-Paul Brinkmann, Helmholtz-Institut Münster, Mingzeng Luo und Prof. Dr. Yong Yangc, State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces der Universität Xiamen sowie Dr. Richard Schmuch, Dr. Tobias Placke und Dr. Aurora Gomez-Martin, MEET Batterieforschungszentrum, in dem Fachmagazin „Batteries & Supercaps“ veröffentlicht.