Wirkungsweise von Titan in nickelreichen, kobaltfreien Kathoden entschlüsselt
Nickelreiche Kathoden ermöglichen eine hohe Energiedichte in Lithium-Ionen-Batterien, sind jedoch auf das kritische Material Kobalt angewiesen, um strukturell stabil zu bleiben. Kobalt ist teuer und kommt nur in wenigen Regionen der Welt vor. Um Batterien nachhaltiger zu produzieren und die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen zu verringern, werden deshalb kobaltfreie Materialien intensiv untersucht. Eine internationale Forschungskooperation unter Leitung des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster hat nun nachgewiesen, dass Kathoden für Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien mit Titan anstelle von Kobalt hergestellt werden können und dennoch über viele Ladezyklen hinweg stabil bleiben.
Zwei Mechanismen für stabile Kathoden aufgedeckt
Titan ist ein häufig vorkommendes und kostengünstiges Element. In bisherigen Studien wurde insbesondere nachgewiesen, dass Titan die Stabilität und Lebensdauer von kobaltfreien, nickelreichen Kathoden verbessern kann. „Unsere Arbeit deckt darauf aufbauend den Mechanismus auf atomarer Ebene auf, der dazu führt, dass die Batteriezellen stabil bleiben“, erklärt MEET Wissenschaftlerin Dr. Bixian Ying den Ansatz ihrer Forschung. Um einen Zusammenhang zwischen elektronischen Veränderungen auf atomarer Ebene und strukturellen Veränderungen während des Batteriebetriebs herzustellen, kombinierte das Team experimentelle Verfahren mit theoretischen Berechnungen.
Die Forschenden identifizierten zwei Arten, wie Titan eine kobaltfreie, nickelreiche Kathode stabilisieren kann. Zum einen wirkt das Zusammenspiel von Titan und Sauerstoff im Kristall wie kleine „Stoßdämpfer“, die strukturelle Spannungen während des Lade- und Entladevorgangs ausgleichen. Zum anderen verändert Titan seine elektronische Umgebung und macht das Nickel-Sauerstoff-Gerüst weniger anfällig für Verformungen. Im Ergebnis behielten Batteriezellen mit dem angepassten Material nach 431 Zyklen 80 Prozent ihrer Kapazität bei. „Die Wirkungsweise von Titan im Detail zu verstehen ist ein wichtiger Schritt, um langfristig eine neue Generation langlebiger, kobaltfreier Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien entwickeln zu können“, fasst Ying zusammen.
Gesamte Studie online verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse haben die Forschenden Dr. Bixian Ying, Dr. Zhenjie Teng, Dr. Honghong Tian, Charlotte von Petersdorff-Campen, Rommel T. Tolla, Linus Voigt, Dr. Sascha Nowak, Verena Naber und Dr. Karin Kleiner (MEET Batterieforschungszentrum), Dr. Jun Wang (Southern University of Science and Technology, China), Dr. Iuliia Mikulska (Diamond Light Source Ltd, Großbritannien), Dr. Alexander Schökel (Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY), Dr. Yuanming Liu (Tsinghua University, China), Dr. Michael Merz, Dr. Peter Nagel und Dr. Stefan Schuppler (Karlsruher Institut für Technologie, Deutschland), Katja Frenzel, Dr. Adrian Jonas und Dr. Lena Mathies (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Deutschland) sowie Prof. Dr. Martin Winter (MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster des Forschungszentrums Jülich, Deutschland) im Fachmagazin „Advanced Science” veröffentlicht.