Kombination von Verbesserungsstrategien bei Ni-reichen NCM-Kathodenmaterialien steigert Batteriezellleistung
Für hochenergetische Lithium-Ionen-Batterien gelten nickel-reiche Schichtoxide wie Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM) als vielversprechende Kathodenmaterialen. Schwächen der thermischen Stabilität und der Zyklenstabilität, die sich aus dem steigenden Nickel-Gehalt (Ni) ergeben, wird durch Methoden wie Volumendotierung und Oberflächenbeschichtung begegnet. Obwohl beide Ansätze getrennt voneinander die Zyklenstabilität der Batteriezellen verbessern, gibt es nur wenige Arbeiten, die die Kombination dieser Strategien untersuchen. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, des Forschungszentrums Jülich und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurden die Einflüsse zwischen beiden Ansätzen analysiert und die positiven Effekte der Kombination verschiedener Strategien auf die Zyklenstabilität untersucht.
Materialinstabilität behindert praktische Anwendung
Ni-reiche Schichtoxidkathoden mit einem Nickelanteil von über 80 Prozent weisen eine höhere Energiedichte auf Materialebene auf als aktuell verwendete Materialen und benötigen weniger des kritischen Rohstoffs Kobalt. Ihre praktische Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien zum Beispiel für Automobilanwendungen wird jedoch durch Herausforderungen in der Zyklenstabilität behindert. Dieser Herausforderung begegnen Wissenschaft und Industrie durch die Substitution von Elementen im Material – der so genannten Dotierung – und durch die Oberflächenbeschichtung zur Minimierung parasitärer Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten. Für eine vollständige Stabilisierung von sehr Ni-reichen Schichtoxiden sind diese Ansätze trotz ihrer positiven Effekte für sich allein genommen jedoch nicht ausreichend. Für eine erfolgreiche praktische Anwendung wird eine Kombination verschiedener Strategien nötig sein.
Einflüsse und Wechselwirkungen von Dotierstoffen entscheidend
Ein Team von Wissenschaftler*innen rund um Batterieforscherin Friederike Reißig vom Helmholtz-Institut Münster (HI MS) des Forschungszentrums Jülich konnte nun nachweisen, dass die Kombination von Zirkonium (Zr) als häufig verwendetem Dotierstoff in handelsüblichen Ni-reichen Schichtoxidkathodenmaterialien mit Wolfram (W)-haltigen Beschichtungen die Zyklenstabilität verbessert. Lediglich die nur wärmebehandelten Referenzproben ohne Beschichtung zeigen eine noch deutlichere Verbesserung.
Die verbesserte Zyklenstabilität ist darauf zurückzuführen, dass der Zr4+-Dotierstoff aufgrund seiner geringen Löslichkeit bei Temperaturen unterhalb der Synthesetemperatur an die Oberfläche diffundiert. Friederike Reißig erklärt: „Mit einer zusätzlichen W-haltigen Oberflächenbeschichtung wird dies gestört und es bilden sich verschiedene andere Verbindungen in Form einer homogenen Schicht oder von Agglomeraten auf der Oberfläche, abhängig von Temperatur und verwendetem Lösungsmittel.“ MEET Forscherin Dr. Aurora Gomez-Martin betont: „Diese Arbeit unterstreicht, wie wichtig es ist, nicht nur die Wirkung einzelner Dotierstoffe oder Beschichtungen zu untersuchen, sondern auch die Einflüsse zwischen beiden.“
Frei zugängliche Fachpublikation in ChemSusChem
Die detaillierten Ergebnisse der Studie wurden als Open Access-Artikel im Fachmagazin „ChemSusChem“ veröffentlicht. Autor*innen sind Friederike Reißig, Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, Prof. Dr. Wolfgang Zeier, Helmholtz-Institut Münster sowie Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Münster, Prof. Dr. Martin Winter, Helmholtz-Institut Münster sowie MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster, Dr. Martin Alexander Lange, Department Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (jetzt: Instituts für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Münster), sowie Lukas Haneke, Dr. Tobias Placke, Dr. Richard Schmuch und Dr. Aurora Gomez-Martin vom MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster. Die Arbeit erhält Ergebnisse des Forschungsprojekts „SeNSE”, das durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union finanziert wird.