Wodurch könnten Kapazität und Leistung moderner Batteriematerialien für Elektrofahrzeuge beeinträchtigt werden? Nach Meinung EU-unterstützter Forschender ist es die unregelmäßige Bewegung der Lithiumionen.
Die meisten Elektrofahrzeuge werden von Lithium-Ionen-Batterien mit Energie versorgt, die eine der höchsten Energiedichten aller heutigen Batterietechnologien aufweisen. Da jedoch immer mehr Menschen von Fahrzeugen mit Diesel- und Benzinmotoren auf Elektroautos umsteigen, wird die Nachfrage nach größeren Reichweiten und schnelleren Ladezeiten steigen, wodurch sich der Bedarf an neuen und besseren Batteriematerialien erhöht.
Fortschrittliche geschichtete nickelreiche Lithiumoxide gehören zu den vielversprechendsten Batteriematerialien und werden heute in Elektrofahrzeugen der Oberklasse eingesetzt. Das Verständnis ihrer Funktionsmechanismen, insbesondere des Lithiumionentransports, ist entscheidend für die Verbesserung ihrer elektrochemischen Leistung. Bis heute sind diese Mechanismen jedoch nicht vollständig geklärt.
Die im Rahmen der EU-finanzierten Projekte SOLARX, MULTILAT und BATNMR durchgeführten Forschungsarbeiten haben verdeutlicht, dass die Lithiumionenspeicherung in Batteriematerialien im Gegensatz zu früheren Annahmen bei weitem nicht gleichmäßig über einzelne aktive Partikel verteilt ist. Tatsächlich fand das Projektteam heraus, dass die unregelmäßige Bewegung der Lithiumionen in einem Kathodenmaterial der nächsten Generation auf der Basis von nickelreichem Mangan-Kobalt-Oxid die Batteriekapazität verringern und die Leistung beeinträchtigen könnte. Die Studie wurde in der Zeitschrift „Joule“ veröffentlicht.Mithilfe von Operando-Lichtstreuungsmikroskopie und Diffusionsmodellierung verfolgten die Forschenden, wie das Licht während des Batteriebetriebs mit den aktiven Partikeln in Wechselwirkung tritt. Sie stellten deutliche Unterschiede bei der Lithiumspeicherung während des Lade-Entlade-Zyklus in nickelreichen Mangan-Kobalt-Partikeln fest. „Diese Ungleichmäßigkeit bei der Speicherung von Lithium wurde somit erstmals direkt in einzelnen Partikeln beobachtet“, erklärt die Doktorandin und Mitautorin Alice Merryweather von der Universität Cambridge, an der die Projekte SOLARX, MULTILAT und BATNMR angesiedelt sind, in einer Pressemitteilung auf der Website der Universität. „Echtzeitverfahren wie unsere sind unerlässlich, um sie zu erfassen, während die Batterie den Zyklus durchläuft.“
Wie in der Pressemitteilung berichtet, wird die oben beschriebene Ungleichmäßigkeit bei der Lithiumspeicherung auf die drastischen Veränderungen zurückgeführt, denen die Lithiumionendiffusionsrate in nickelreichem Mangan-Kobalt während des Lade-Entlade-Zyklus unterliegt. Lithiumionen diffundieren langsam in vollständig lithiierten nickelreichen Mangan-Kobalt-Teilchen, doch wenn einige Lithiumionen aus den Teilchen entfernt werden, nimmt die Diffusion schnell zu. Die bei der Delithiierung – zu Beginn der Aufladung – beobachtete schnelle Diffusion führt zu aktiven Partikeln mit lithiumarmen Oberflächen und lithiumreichen Kernen. Im Gegensatz dazu führt die langsame Ionendiffusion in vollständig lithiumhaltigen nickelreichen Mangan-Kobalt-Partikeln – gegen Ende der Batterieentladung – zu Partikeln mit lithiumreichen Oberflächen und lithiumarmen Kernen.
„Unser Modell hat die Lithiumverteilungen genau vorhergesagt und den in Experimenten beobachteten Grad an Heterogenität erfasst“, erklärt die Mitautorin Dr. Shrinidhi Pandurangi, ebenfalls von der Universität Cambridge. „Diese Vorhersagen sind entscheidend für das Verständnis anderer Degradationsmechanismen von Batterien, wie z. B. dem Partikelbruch.“
Die Lithiumheterogenität am Ende der Entladung bietet eine Erklärung dafür, warum nickelreiche Kathoden nach dem ersten Lade-Entlade-Zyklus etwa 10 % ihrer Kapazität verlieren. „Wenn man bedenkt, dass ein Industriestandard, der für die Entscheidung zurate gezogen wird, ob eine Batterie ausgemustert werden sollte oder nicht, darin besteht, dass sie 20 Prozent ihrer Kapazität verloren hat, ist das ein bedeutender Faktor“, bemerkt Mitautor Dr. Chao Xu von der ShanghaiTech Universität in China, der während seiner Zeit in Cambridge an der Studie beteiligt war.
Die Erkenntnisse aus der von SOLARX (Photon Management for Solar Energy Harvesting with Hybrid Excitonics), MULTILAT (Multi-phase Lattice Materials) und BATNMR (Development and Application of New NMR Methods for Studying Interphases and Interfaces in Batteries) unterstützten Studie ebnen den Weg für neue Ansätze zur Überwindung von Kapazitätsverlusten und zur Erhöhung der Lebensdauer von Hochleistungsbatteriematerialien.
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