Passgenaues wasserbasiertes Binder-Design für nachhaltige und leistungsstarke Kathoden
Ein Ansatz, um die Batterieproduktion umweltfreundlicher, kostengünstiger und energieeffizienter zu gestalten, ist das umweltschädliche Lösemittel N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) durch Wasser zu ersetzen. Möglich ist das nur in Kombination mit einem passgenauen, wasserlöslichen Binder. Carboxymethylcellulose (CMC) wird bereits vielfach in der Grafitanode von Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Sein Einsatz in wässrig verarbeiteten, nickelreichen Hochenergie-Kathoden ist jedoch noch mit Herausforderungen verbunden. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat deshalb untersucht, wie schon kleine Veränderungen in der chemischen Struktur von CMC den Herstellungsprozess und die Qualität der Kathoden beeinflussen.
Hoher Substitutionsgrad bringt Vorteile
Konkret fokussierten sich die Forschenden auf den Substitutionsgrad (DS), der Aufschluss darüber gibt, wie viele funktionelle Gruppen am Molekül ersetzt werden. Er beeinflusst maßgeblich die Eigenschaften und Leistungen der Elektroden. „Solche Studien gab es bisher vor allem für Anoden. Wir haben nun nickelreiche Kathoden umfassend analysiert“, erklärt MEET Wissenschaftlerin Johanna Kauling. Das Team zeigte auf, dass ein höherer Substitutionsgrad von 1,2 deutliche Vorteile gegenüber niedrigeren Graden von 0,7 oder 0,9 mit sich bringt. Ursache dafür ist die erhöhte Anzahl an Carboxy-Gruppen, die dafür sorgen, dass die Bestandteile der Elektrode in der wässrigen Paste stabil verteilt bleiben und sich beim Trocknen nicht entmischen. Das Ergebnis sind Elektroden mit einer homogenen Struktur, einer erhöhten elektrischen Leitfähigkeit und einer stärkeren Kohäsion.
Ein weiterer Pluspunkt: Der optimierte Binder führt zu einer deutlich längeren Lebensdauer und einer verbesserten Schnellladefähigkeit der Batterie. So zeigten die Zellen, basierend auf dem Binder mit hohem DS, eine Erhöhung der Leistung der Langzeitstabilität um 73 Prozent im Vergleich zu denen basierend auf dem Binder mit niedrigem DS. „Unsere Ergebnisse liefern Erkenntnisse darüber, wie Binder, Wasser, Leitadditiv und Aktivmaterialien auf molekularer Ebene interagieren müssen, um ‚grüne‘ und gleichzeitig leistungsstarke Batterien herstellen zu können“, resümiert Kauling.
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Johanna Kauling, Chirag Vankani und Dr. Markus Börner, MEET Batterieforschungszentrum sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Advanced Energy and Sustainability Research“ veröffentlicht.