Ausgezeichnete Publikation zur Synthese von Kathodenmaterialien
Aufgrund seiner Bedeutung für die Forschung an Batteriematerialien hat das Fachmagazin Chemistry of Materials die Publikation „Monitoring the Formation of Nickel-Poor and Nickel-Rich Oxide Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries with Synchrotron Radiation“ als Highlight 2023 ausgezeichnet. Das Paper, das unter Federführung der MEET Doktorandin Bixian Ying entstanden ist, entschlüsselt die Reaktionen während der Synthese von nickelreichen und nickelarmen Oxidschichten.
Synthese leistungsstarker Kathodenmaterialien
Geschichtete Übergangsmetalloxide, insbesondere Nickel-Mangan-Kobalt-Oxidkathoden (NMC), zählen zu den gängigsten und vielseitigsten Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. In ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler*innen sowohl nickelreiches als auch nickelarmes NMC, das aus Hydroxidvorläufern durch eine Festköperkalzinierung hergestellt wurde. Bei diesem Prozess werden die mit Lithium versetzten Ausgangsstoffe unter einem Sauerstoff- oder Luftstrom erhitzt, um die finalen Materialien zu erhalten. Gleichzeitig dienen die Ströme dazu, eventuelle Verdampfungsrückstände zu entfernen. „Wir haben die Parameter für eine effektive Kalzinierung analysiert, um leistungsstarke Materialien herstellen zu können“, erklärt Bixian Ying, Doktorandin am MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster. Im Fokus standen die Schritte des Vorglühens und des Warmhaltens bei Hochtemperaturen, die Teil der Kalzinierung sind. Zudem untersuchte das Team, ob Luft oder reiner Sauerstoff in der Atmosphäre den Prozess beeinflusst.
„Insbesondere der Schritt des Vorglühens ist von enormer Bedeutung“, unterstreicht Ying. „Er ermöglicht, dass das Nickel vollständig oxidieren kann.“ Diese Reaktion wiederum bestimmt die Leistung der Materialien und somit die Performanz der Batteriezellen. In Kombination mit dem Warmhalten bei Höchsttemperaturen begünstigt das Vorglühen außerdem eine geordnete Struktur von nickelreichem NMC. Das kommt der Stabilität und Lebensdauer der Batteriezellen zugute. Darüber hinaus wirkt sich eine reine Sauerstoffatmosphäre positiv auf den Kalzinierungsprozess aus. „Indem wir den Einfluss der einzelnen Schritte weiter entschlüsselt und dadurch die Prozesse tiefergehend verstanden haben, konnten wir die Parameter für eine effektive Kalzinierung der Ausgangsmaterialien bestimmen“, sagt Ying.
Publikation ist Teil der Highlight-Ausgabe von Chemistry of Materials
Die gesamte Studie veröffentlichte Chemistry of Materials nun erneut in seiner ersten Ausgabe im Jahr 2024. Anlässlich des 35-jährigen Jubiläums des Magazins umfasst diese Highlights aus dem Jahr 2023, die die Batterieforschung entscheidend vorangetrieben haben. Autor*innen der Studie sind Bixian Ying, Zhenjie Teng, Vassilios Siozios, Prof. Dr. Martin Winter und Dr. Karin Kleiner (MEET Batterieforschungszentrum), Jack R. Fitzpatrick (Imperial College London), Tianxiang Chen und Tsz Woon Benedict Lo (Polytechnische Universität Hongkong), Claire A. Murray, Sarah Day und Chiu C. Tang (Diamond Light Source, Oxfordshire), Helen E. A. Brand (The Australian Synchrotron), Robert S. Weatherup (Universität Oxford) sowie Dr. Michael Merz, Peter Nagel und Dr. Stefan Schuppler (Karlsruher Institut für Technologie).