US-Forscher entwickeln NMC-Kathoden mit verbesserter Struktur

Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums haben ein neues Kathodendesign entwickelt, das die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien deutlich verbessern und die Kosten senken könnte. Vor allem der Einsatz von Kobalt wurde angepasst.

argonne national laboratory anl dual gradient battery cell cobalt kobalt 2024 — Bild: Argonne National Laboratory

Dabei handelt es sich um eine verbesserte Version eines früher entwickelten NMC-Materials. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Oberfläche mit Kobalt angereichert wird und das Innere nahezu kobaltfrei ist. So sollen die jeweils vorteilhaften Eigenschaften der Aktivmaterialien besser genutzt werden. So konnte auch der Einsatz von Kobalt deutlich gesenkt werden – die Rede ist von zwei Prozent statt zehn bis 20 Prozent.

Bereits für das ursprüngliche NMC-Material hatten die Argonne-Forscher die Zusammensetzung von Nickel, Mangan und Kobalt optimiert. Bei dem „composition gradient design“ nimmt die Nickelkonzentration vom Kern der Kathodenmaterial-Partikel zur Oberfläche hin allmählich ab. „Die Idee war, die Energiedichte bei Hochspannungsbatteriebetrieb zu maximieren und die Reaktivität zu minimieren“, schreibt das Institut. Diese Kathodenpartikel haben eine geschichtete Struktur. Diese geordneten Schichten aus Metallatomen schaffen Wege für den Transport von Lithiumionen zwischen den Elektroden einer Batterie.

Dieses Material wurde an Batterie- und Materialhersteller lizenziert, wird also kommerziell genutzt. „Damit Elektrofahrzeuge Verbrenner weltweit ersetzen können, müssen Batterien mit höheren Spannungen betrieben werden können, um noch mehr Energie und größere Reichweiten zu liefern“, sagt Khalil Amine, Leiter des Advanced Battery Technology-Teams von Argonne.

Aber: Bei Betrieb mit hoher Spannung neigen Kathodenpartikel mit geschichteten, geordneten Strukturen dazu, zu brechen und stärker mit dem Elektrolyten der Batterie zu reagieren. Das verringert nicht nur die Lebensdauer der Batterie, sondern kann im Extremfall auch zu Sicherheitsbedenken führen.

Daher haben die ANE-Teams für die Weiterentwicklung dem „composition gradient design“ eine weitere Besonderheit hinzugefügt, und zwar den eingangs erwähnen Konventrations-Verlauf beim Kobalt. Daher ist jetzt auch von einem „dual gradient design“ die Rede. Damit wird auch die geordnete, geschichtete Materialstruktur aufgebrochen: Im Kern bestehen die Partikel weiterhin aus geschichtetem Material, an der Oberfläche wird es aber zunehmend ungeordnet.

Die Idee: Die ungeordnete Partikeloberfläche soll die Rissbildung und Reaktivität unterdrücken, während der geordnete Kern den Ionentransport maximieren soll. „Auf diese Weise kann die Kathode potenziell eine hohe Kapazität und Stabilität erreichen, während sie bei hohen Spannungen betrieben wird“, so das Institut. Die Tests sollen bestätigt haben, dass die Herstellung von Kathodenmaterial mit diesen besonderen Eigenschaften erfolgreich war – und die Partikel beim Betrieb mit hohen Spannungen auch stabil bleiben. Nach 500 Lade- und Entlade-Zyklen soll das Material nur zwei Prozent seiner Kapazität verloren haben.

„Wir haben bewiesen, dass die ungeordnete Partikeloberfläche unzerstörbar ist und praktisch keine Reaktivität oder strukturelle Spannung aufweist“, sagt Tongchao Liu, ein Chemiker aus Argonne. Liu ist der Hauptautor des kürzlich in Nature Energy veröffentlichten Artikels über die Dual-Gradient-Kathode von Argonne. Zu den Kooperationspartnern zählen das Brookhaven-Institut des Energieministeriums und das Lawrence Berkeley National Laboratory.

anl.gov