Durchbruch bei Ni-reichen Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien: Forscher finden Lösung für strukturelle Instabilität und Sauerstoffverlust
Ein bedeutender Durchbruch in der Erforschung von Ni-reichen Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien könnte die praktische Anwendung dieser vielversprechenden Materialien vorantreiben. Bisher wurden sie aufgrund von strukturellen Instabilitäten und Sauerstoffverlusten in ihrer Leistungsfähigkeit eingeschränkt.
‘Sauerstoffloch’-Bildung als Schlüssel zur Lösung
Die Forschungsarbeit zeigt, dass die Bildung von ‘Sauerstofflöchern’ – bei der ein Sauerstoffion ein Elektron verliert – eine entscheidende Rolle bei der Degradation der LiNiO2-Kathoden spielt, was zu einer beschleunigten Freisetzung von Sauerstoff führt und das Kathodenmaterial weiter abbaut.
Neue Erkenntnisse durch hochmoderne computergestützte Techniken
Die Forscher nutzten eine Reihe hochmoderner computerbasierter Techniken auf regionalen Supercomputern im Vereinigten Königreich, um das Verhalten der LiNiO2-Kathoden während des Ladevorgangs zu untersuchen. Dabei stellten sie fest, dass sich der Sauerstoff im Material während des Ladevorgangs verändert, während sich die Ladung des Nickels im Wesentlichen nicht ändert.
Co-Autor Prof. Andrew J. Morris von der Universität Birmingham kommentierte: “Wir haben festgestellt, dass die Ladung der Nickelionen bei etwa +2 bleibt, unabhängig davon, ob es sich um ihre geladene oder entladene Form handelt. Gleichzeitig variiert die Ladung des Sauerstoffs von -1,5 auf etwa -1.
“Dies ist ungewöhnlich, da das herkömmliche Modell davon ausgeht, dass der Sauerstoff während des Ladevorgangs immer bei -2 bleibt, aber diese Veränderungen zeigen, dass der Sauerstoff nicht sehr stabil ist, und wir haben einen Weg gefunden, wie er aus der nickelreichen Kathode entweichen kann.”
Neue Hoffnung für eine stabilere Energieerzeugung
Die Forscher verglichen ihre Berechnungen mit experimentellen Daten und stellten fest, dass ihre Ergebnisse gut mit dem beobachteten Verhalten übereinstimmten. Sie schlugen einen Mechanismus vor, wie der Sauerstoff während dieses Prozesses verloren geht, indem sich Sauerstoffradikale zu einem Peroxidion verbinden, das dann in Sauerstoffgas umgewandelt wird und dadurch Lücken im Material hinterlässt. Dieser Prozess setzt Energie frei und bildet singulettischen Sauerstoff, eine hochreaktive Form von Sauerstoff.
“Potenziell können wir durch das Hinzufügen von Fremdatomen, die die Sauerstoffredoxreaktion reduzieren und gleichzeitig die Übergangsmetallredoxreaktionen, insbesondere an der Oberfläche, fördern, die Bildung von singulettischem Sauerstoff reduzieren und so die Stabilität und Lebensdauer dieser Art von Lithium-Ionen-Batterien verbessern. Damit bahnen wir den Weg für effizientere und zuverlässigere Energiespeichersysteme”, fügt die Erstautorin Dr. Annalena Genreith-Schriever von der Universität Cambridge hinzu.
Herausforderungen für Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihrer Wiederaufladbarkeit weltweit vielfältig eingesetzt. Allerdings haben die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Stabilität der Kathodenmaterialien ihre Gesamtleistung und Lebensdauer eingeschränkt.
Die Forschungsergebnisse wurden von Wissenschaftlern der Universitäten Birmingham, Cambridge und Warwick sowie des Faraday-Instituts in Didcot veröffentlicht.
