Schweres Wasser ermöglicht neue Analysen wässrig prozessierter Kathoden
die Produktion nachhaltiger und das Recycling einfacher zu gestalten. Sie verzichten auf kritische Materialien wie das organische Lösemittel N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und den fluorhaltigen Binder Polyvinylidendifluorid (PVDF). Diese werden durch Wasser und einen natürlichen, fluorfreien Binder wie Carboxymethylcellulose (CMC) ersetzt. Das Wasser interagiert jedoch mit dem Kathodenmaterial und verändert dessen Struktur. Die Batteriezellen sind dadurch weniger langlebig. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat nun untersucht, wo genau sich die Wassermoleküle und -protonen im Material festsetzen.
Schweres Wasser bei Herstellung der Elektrodenpaste genutzt
Erstmals setzte das Forschungsteam dafür schweres Wasser (D2O) ein. „Auf diese Weise konnten wir genau verfolgen, wo sich die Protonen im Material anlagern. Bisherige Analysen hatten das nicht vollständig aufgeklärt“, erläutert MEET Wissenschaftler Joshua Engler. „Indem wir für die Elektrodenpaste schweres Wasser verwendet haben, haben wir sichergestellt, dass das identifizierte Wasser auch wirklich auf den Produktionsprozess zurückzuführen ist und nicht etwa von der Lagerung stammt.“ Die Ergebnisse helfen dabei, die Reaktionen innerhalb der Zelle genau zu verstehen. Nur so ist es den Forschenden möglich, in einem nächsten Schritt Ansätze zu entwickeln, mit denen die durch das Wasser verursachten strukturellen Schwächen vermieden werden können.
Durch neue Verfahren wie die wässrige Prozessierung von Elektroden sollen Batterien langfristig umweltfreundlicher und günstiger werden. „Wenn wir auf umweltschädliche Materialien wie NMP und PVDF in den Kathoden verzichten können, senkt das auch die Produktions- und Recyclingkosten von Lithium-Ionen-Batterien“, resümiert Engler.
Detaillierte Ergebnisse online verfügbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Joshua Engler, Alexandros Tsoufios, Dr. Markus Börner, Dr. Simon Wiemers-Meyer und Dr. Sascha Nowak, MEET Batterieforschungszentrum sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, im Fachmagazin „Advanced Energy and Sustainability Research“ veröffentlicht.