Eine internationale Forschungsgruppe hat herausgefunden, dass lokale Unordnung im Oxid-Kathodenmaterial die Anzahl der Lade- und Entladezyklen von Lithium-Ionen-Batterien erheblich erhöhen kann.
Stabilität der Elektroden entscheidend
Wiederaufladbare Batterien spielen eine entscheidende Rolle im Zuge der Energiewende, insbesondere durch den zunehmenden Einsatz erneuerbarer Energien. Lithium-Ionen-Batterien sind dabei aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit und weiten Verbreitung besonders bedeutsam. Für ihre elektrische Verbindung werden oft geschichtete Oxide als Elektrodenmaterial verwendet. Diese Struktur wird jedoch instabil, sobald die Batterie geladen wird, was letztlich die Lebensdauer der Batterie beeinflusst.
Einführung chemischer Unordnung
Das Team der Gruppe „Storage of Electrochemical Energy“ der TU Delft hat gemeinsam mit internationalen Forschern eine Lösung für dieses Problem entwickelt. Der Hauptautor der Studie, Qidi Wang, erklärt:
Das als Kathodenmaterial verwendete geschichtete Oxid für Lithium-Ionen-Batterien ist normalerweise geordnet. Wir haben eine Strukturanalyse durchgeführt, um chemische Kurzstrecken-Unordnung in dieses Material durch eine verbesserte Synthesemethode einzuführen. Dadurch wurde es während des Batterieeinsatzes stabiler.
Längere Lebensdauer und kürzere Ladezeiten
Die verbesserte strukturelle Stabilität führte zu einer nahezu verdoppelten Kapazitätserhaltung der Batterie nach 200 Lade-/Entladezyklen. Zudem erhöht diese chemische Kurzstrecken-Unordnung den Ladungstransfer in der Elektrode, was kürzere Ladezeiten zur Folge hat. Diese Vorteile wurden für etablierte kommerzielle Kathoden wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC811) demonstriert.
Einsatz weniger knapper Materialien
Die Ergebnisse könnten zu einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Batterien führen, die kostengünstiger in der Herstellung sind und einen kleineren CO2-Fußabdruck pro gespeicherter Energieeinheit über ihre Lebensdauer aufweisen. Das Forschungsteam plant nun zu untersuchen, ob die gleichen Materialdesignprinzipien für den Bau von Kathoden aus weniger knappen Rohstoffen verwendet werden können.
Sowohl Kobalt als auch Nickel sind sogenannte kritische Materialien für Energietechnologien und es wäre gut, den Einsatz dieser Materialien in Batterien zu reduzieren,
so Marnix Wagemaker, Seniorautor der Studie.
