Das KIT hat die Degrationsmechanismen im Kathodenmaterial künftiger Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien untersucht. (Bild: KIT)
„Auf Basis eines grundlegenden Verständnisses der elektrochemischen Vorgänge in den Batterien sowie durch den innovativen Einsatz von neuen Materialien lässt sich die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus nach unserer Einschätzung um bis zu 30 Prozent erhöhen“, sagte Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) am KIT. Forscher des KIT haben durch Untersuchungen struktureller Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialien für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus neue Erkenntnisse über Degrationsmechanismen gewonnen.
Die Hochenergievariante der Lithium-Ionen-Technologie unterscheidet sich von der herkömmlichen durch ein spezifisches Kathodenmaterial: Während bislang überwiegend Schichtoxide mit unterschiedlichen Verhältnissen von Nickel, Mangan und Kobalt eingesetzt werden, kommen nun manganreiche Materialien mit Lithium-Überschuss zum Einsatz, was die Energiespeicherfähigkeit pro Volumen/Masse Kathodenmaterial deutlich erhöht. Aber beim Einsatz dieser Materialien gibt es noch ein Problem: Bei der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen – der grundlegenden Funktionsweise einer Batterie – degradiert das Hochenergie-Kathodenmaterial. Das Schichtoxid wandelt sich nach einiger Zeit in eine Kristallstruktur mit sehr ungünstigen elektrochemischen Eigenschaften um. Als unerwünschte Folge sinkt die mittlere Lade- und Entladespannung von Beginn an, was die Entwicklung von brauchbaren Hochernergie-Lithium-Ionen-Akkus bisher verhinderte.
Den grundlegenden Mechanismus des Degrationsprozesses haben nun Forscher des KIT und kooperierender Einichtungen beschrieben. „Auf Basis von detaillierten Untersuchungen des Hochenergie-Kathodenmaterials konnten wir zeigen, dass die Degradation nicht direkt, sondern indirekt über die Bildung einer bislang wenig beachteten lithiumhaltigen Kochsalzstruktur abläuft“, sagt Weibo Hua (IAM-ESS), einer der Hauptautoren der Studie. „Außerdem spielt auch Sauerstoff bei den Reaktionen eine entscheidende Rolle.“ Neben diesen Ergebnissen zeigt die Studie außerdem, dass neue Erkenntnisse über das Verhalten einer Batterietechnologie nicht unbedingt direkt aus dem Degradationsprozess stammen müssen: Ihre Entdeckung hatten Weibo und die beteiligten Wissenschaftler nämlich anhand von Untersuchungen gewonnen, die während der Synthese des Kathodenmaterials durchgeführt wurden.
(gk)
