Magnesium-Substitution in NMC-Schichtkathoden verbessert Lebensdauer von Hochenergiebatterien

Auswirkungen der Elementsubstitution bei hochenergetischen Lithium-Ionen-Batterien umfassend untersucht

Kathoden aus geschichteten Übergangsmetalloxiden, insbesondere Nickel-reiche Mangan-Kobalt-Oxidkathoden (NMC), stellen die technologisch ausgereifteste Klasse aktiver Materialien für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien dar. Sie bieten eine hohe Energiedichte, bieten allerdings mit Blick auf die erreichbare Zyklenzahl nur eine begrenzte Lebensdauer. Ein Lösungsansatz, um diese Instabilitätsprobleme zu überwinden, liegt in der Substitution von Übergangsmetallen wie Mangan oder Kobalt­ durch Magnesium (Mg). Forscher*innen des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich haben die Auswirkungen dieser Magnesium-Substitution auf die strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften von Ni-reichen NMC-Schichtoxiden untersucht. Das Team konnte einen linearen Zusammenhang zwischen der zyklischen Lebensdauer und den erreichbaren gravimetrischen Kapazitäten nachweisen, die direkt vom Grad der Mg-Substitution beeinflusst werden.

Elementsubstitution als ein Lösungsweg für langlebigere Batterien

Die wachsende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien mit höheren Energiegehalten hat in den vergangenen Jahren die Entwicklung von Kathoden des Typs NMC mit stetig steigenden Ni-Gehalten ausgelöst. Dieser Ansatz erhöht zum einen die Energiedichte auf Materialebene und reduziert in den meisten Fällen auch den Bedarf an Kobalt als kritischem Rohstoff. Die Erhöhung des Ni-Gehalts in NMC-Kathodenmaterialien führt jedoch zu einer komplexeren Herstellung und schränkt Lebensdauer und Sicherheit der Zellen ein. Um die elementare Substitution mit Magnesium als einen Lösungsweg weiter zu untersuchen, stellte das Wissenschaftsteam vom MEET Batterieforschungszentrum und vom Helmholtz-Institut Münster verschiedene Mg-substituierte NMC-Materialien mit einem Ni-Anteil von 90 mol% her und erforschte diese hinsichtlich wichtiger Leistungskennzahlen.

Insgesamt führte die Erhöhung des Mg-Gehalts von 1 auf 2 mol-% zu einer linearen Verringerung der Anfangskapazitäten und der spezifischen Energien. Die Zykluslebensdauer und die thermische Stabilität wurden hingegen deutlich verbessert. Grund dafür ist, dass Mg elektrochemisch inaktiv ist und die Plätze des Lithiums in der Kristallstruktur besetzt. MEET Wissenschaftlerin Dr. Aurora Gomez Martin erklärt: "Die vorliegende Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, die Auswirkungen der Elementsubstitution auf die Zellleistung zu bewerten. Wir liefern damit aufschlussreiche Erkenntnisse für die künftige Entwicklung von Kathodenmaterialien des NMC-Typs, insbesondere mit hohem Nickel- und niedrigem Kobalt-Gehalt." Die Forschenden empfehlen, einen Mg-Gehalt <2 mol% in Betracht zu ziehen, um eine höhere Energiedichte auf Materialebene zu erreichen und so den Stand der Technik bei NMC811-Kathodenmaterialien zu übertreffen.

Mg Substitution
Eine Erhöhung des Mg-Gehalts in der Li-Zwischenschicht führt zu einer linearen Verringerung der Anfangskapazitäten und der spezifischen Energien aufgrund des begrenzten Lithiumextraktionsverhältnisses bei einer bestimmten oberen Grenzspannung der Zelle, aber die Zykluslebensdauer wird erheblich verlängert.
© Wiley

Vollständige Publikation im Fachmagazin „Advanced Energy Materials“

Die detaillierten Ergebnisse haben Dr. Aurora Gomez Martin, Lars Frankenstein, Marcel Heidbüchel, Dr. Tobias Placke und Dr. Richard Schmuch, MEET Batterieforschungszentrum, Friederike Reißig, Helmholtz-Institut Münster, und Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin "Advanced Energy Materials" veröffentlicht. Die Arbeit umfasst Ergebnisse des Forschungsprojekts "SeNSE", finanziert durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union.