Forschungsteam der POSTECH entwickelt innovative Kathodenstrategie zur Bindung von Sauerstoff und Verbesserung der Batteriestabilität.
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind essenziell für moderne Energiespeicherlösungen, insbesondere in Bereichen wie Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen (ESS). Dennoch stehen herkömmliche Batterien vor Herausforderungen wie Kapazitätsverlust und Spannungseinbrüchen. Ein Forschungsteam der POSTECH hat nun einen neuen Ansatz entwickelt, um diese Probleme zu adressieren, indem sie die Freisetzung von Sauerstoff effektiv reduzieren.
LLO: Vielversprechende, aber instabile Kathodenmaterialien
Lithiumreiche Schichtoxid-Kathoden (Lithium-Rich Layered Oxide, LLO) bieten eine bis zu 20 % höhere Energiedichte im Vergleich zu konventionellen Nickel-basierten Kathoden. Zudem erfordern sie weniger teure und umweltschädliche Rohstoffe wie Nickel und Kobalt. Dennoch erschwert die Instabilität des Materials, insbesondere die Freisetzung von Sauerstoff während des Lade- und Entladezyklus, die Kommerzialisierung.
Das Forschungsteam um Professor Jihyun Hong und Dr. Gukhyun Lim untersuchte diese Instabilität genauer. Frühere Studien identifizierten strukturelle Veränderungen in der Kathode als Ursache, konnten jedoch keine Lösung finden, die den Sauerstoffverlust langfristig reduziert.
Neue Elektrolyt-Strategie als Durchbruch
Das POSTECH-Team konzentrierte sich auf die chemische Stabilität der Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt. Durch Anpassungen in der Elektrolyt-Zusammensetzung gelang es ihnen, die Sauerstofffreisetzung drastisch zu minimieren und die chemischen Eigenschaften der Kathodenoberfläche zu stabilisieren.
Ein zentrales Ergebnis der Forschung: Mit dem verbesserten Elektrolyt erreichten die Batterien eine beeindruckende Energieerhaltungsrate von 84,3 % nach 700 Ladezyklen. Zum Vergleich: Konventionelle Elektrolyte erzielten im Durchschnitt nur 37,1 % nach 300 Zyklen.
Zusätzlich identifizierte das Team strukturelle Veränderungen an der Oberfläche des LLO-Materials, die die Stabilität erheblich beeinflussten. Diese Erkenntnisse führten zu weiteren Optimierungen, die die Leistung und Lebensdauer der Kathode steigerten und unerwünschte Reaktionen, wie die Zersetzung des Elektrolyten, minimierten.
Synchrotron-Analysen enthüllen Stabilitätsfaktoren
Professor Hong erläuterte, dass mithilfe von Synchrotronstrahlung die chemischen und strukturellen Unterschiede zwischen der Oberfläche und dem Inneren der Kathodenpartikel analysiert wurden. Dabei zeigte sich, dass eine stabile Kathodenoberfläche entscheidend für die strukturelle Integrität und die Leistungsfähigkeit des Materials ist.
Ausblick: Nachhaltige Energiespeicher im Fokus
Die Forschung, unterstützt durch das südkoreanische Ministerium für Handel, Industrie und Energie sowie das Ministerium für Wissenschaft und IKT, könnte die Entwicklung nachhaltiger und effizienter Akkus entscheidend vorantreiben. Besonders in Anwendungsbereichen wie Stromspeicher fürs Eigenheim und E-Bike Akkus könnte diese Technologie einen bedeutenden Fortschritt darstellen.
