Übersichtsartikel zeigt mögliche Strategien für Lithium-/Mangan-reiche Schichtoxidkathoden auf

Lithium-/Mangan-reiches Schichtoxid (LMR) gilt als vielversprechendes Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien, da es theoretisch über eine hohe Energiedichte bei geringen Kosten verfügt. LMR ist jedoch weniger stabil als das derzeit gängige Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC). Die Arbeit mit dem Material gilt zudem als komplexer. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat nun – in Kooperation mit internationalen Partner*innen aus Industrie und Wissenschaft – in einem Übersichtsartikel einen Rahmen für die systematischere Erforschung und Entwicklung von LMR-Kathoden erarbeitet.

Verschiedene Zusammensetzungen von LMR analysiert

„Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Zusammensetzungen von LMR und möglicher Variablen. Der Gestaltungsspielraum ist groß, was die Vergleichbarkeit und Bewertung der Ergebnisse erschwert“, erläutert Dr. Anindityo Arifiadi, MEET Batterieforschungszentrum und internationale Forschungsschule BACCARA. Die Forschenden werteten deshalb die elektrochemische Leistung von LMR-Materialien in verschiedenen Zusammensetzungen aus und beurteilten deren Kosten, sowohl auf Material- als auch auf Zellebene. „Damit leisten wir einen wichitigen Schritt für das Design von LMR, das entscheidend für die Kommerzialisierung des Materials ist“, sagt Arifiadi. Dazu diente außerdem ein Vergleich der spezifischen Energie, der Energiedichte und der Kosten von Zellen mit LMR-Kathode und anderer gängiger Zellchemien mit Grafitanode.

Darüber hinaus analysierten die Wissenschaftler*innen die Einflüsse der Kristall- und Mikrostruktur, der Oberflächen und des Elektrolyten. Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereichs Materialien am MEET Batterieforschungszentrum, fasst zusammen: „Unsere Ergebnisse können einerseits als Leitfaden dienen, wie LMR optimal zusammengesetzt werden kann. Andererseits sind sie die ideale Grundlage, um die Forschung und Entwicklung des Materials systematisch voranzutreiben, denn oft sind Vergleiche nicht systematisch und fair, zum Beispiel aufgrund unterschiedlicher Ladezustände  bei den Standardmessprotokollen.“

Internationale Forschungskooperation

Um der Komplexität des Themas gerecht werden zu können, wirkte ein interdisziplinären Team aus Industrie und Wissenschaft an dem Übersichtsartikel mit. Zu den Autor*innen zählen Dr. Anindityo Arifiadi, Sebastian Oster, Dr. Dominik Voigt und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, Dr. Donggun Eum, Stanford University, Dr. Andrzej Kulka, AGH Wissenschaftlich-Technische Universität (Polen), Dr. Hyuck Hur, LG Energy Solution und Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich. Erschienen ist die gesamte Studie im Wissenschaftsmagazin „Advanced Science“.