Forscher der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) haben eine neue Methode zur Herstellung von Einkristall-Kathodenmaterialien entwickelt, die die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verlängern könnte.
Verbesserung der Lebensdauer von Nickel-Kathodenmaterialien
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Kyu-Young Park vom Graduate Institute of Ferrous & Eco Materials Technology und der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik, zusammen mit der Doktorandin Kyoung Eun Lee und der Alumna Yura Kim, hat in Zusammenarbeit mit dem POSCO Holdings N.EX.T Hub eine Technologie zur Synthese von Einkristallen vorgestellt. Diese Technologie könnte die Lebensdauer von Kathodenmaterialien für Elektrofahrzeuge erheblich verlängern, wie kürzlich in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift ACS Materials & Interfaces veröffentlicht wurde.
Funktionsweise von Lithium-Sekundärbatterien
Lithium-Sekundärbatterien speichern Energie, indem sie elektrische Energie in chemische Energie umwandeln. Dabei bewegen sich Lithium-Ionen zwischen einer Kathode und einer Anode. Nickelbasierte Kathodenmaterialien sind aufgrund ihrer hohen Lithium-Ionen-Speicherkapazität weit verbreitet. Traditionell weisen diese Materialien eine polykristalline Morphologie auf, die aus vielen winzigen Kristallen besteht. Diese können sich jedoch während des Lade- und Entladevorgangs strukturell abbauen, was ihre Lebensdauer erheblich verkürzt.
Einkristalle als Lösung
Ein Ansatz zur Verbesserung der Haltbarkeit besteht darin, das Kathodenmaterial in Einkristallform zu produzieren. Einkristalline Nickel-Kathodenmaterialien können ihre strukturelle und chemische Stabilität und Haltbarkeit verbessern. Diese Materialien werden bei hohen Temperaturen synthetisiert und dabei verfestigt. Der genaue Härtungsprozess und die spezifischen Bedingungen, unter denen dies geschieht, waren jedoch bisher unklar.
Forschungsergebnisse und Synthesemethoden
Um die Haltbarkeit von Nickel-Kathodenmaterialien zu verbessern, untersuchten die Forscher eine spezifische Temperatur, die als “Kritische Temperatur” bezeichnet wird. Bei dieser Temperatur werden hochwertige Einkristallmaterialien synthetisiert. Das Team beobachtete systematisch den Einfluss der Temperatur auf die Kapazität und die langfristige Leistung des Materials.
Die Forscher stellten fest, dass herkömmliche polykristalline Materialien, die unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur synthetisiert werden, mit der Zeit zu Degradationen neigen. Bei der Synthese oberhalb dieser kritischen Temperatur können jedoch hochwertige Einkristalle produziert werden, was zu Materialien mit überlegener Langlebigkeit führt. Dies ist auf einen Prozess namens “Verdichtung” zurückzuführen, der oberhalb einer bestimmten kritischen Temperatur stattfindet. Während dieses Prozesses nimmt die innere Korngröße des Materials zu und die Leerstellen im Material werden dicht gefüllt. Verdichtete Einkristalle sind extrem hart und widerstandsfähig gegen Abbau über lange Zeiträume.
Ausblick und zukünftige Forschung
Professor Kyu-Young Park von POSTECH betonte:
„Wir haben eine neue Synthesestrategie eingeführt, um die Haltbarkeit von nickelbasierten Kathodenmaterialien zu verbessern.“
Er fügte hinzu:
„Wir werden unsere Forschung fortsetzen, um Sekundärbatterien für Elektrofahrzeuge kostengünstiger, schneller und langlebiger zu machen.“
