Neues Verfahren für wässriges Prozessieren von Kathodenmaterialien
Eine nachhaltigere Herstellung von Batteriezellen und der darin verwendeten Elektroden rückt immer mehr in den Fokus der Forschung. Ein Ansatz besteht darin, anstelle teurer, toxischer organischer Lösungsmittel wie N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) und fluorierten Bindemitteln wässrige Verfahren in der Kathodenherstellung einzusetzen. Diese umweltfreundlichere Methode führte jedoch bislang zu einer schlechteren Performanz der Batterie. Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münsters (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich haben ein neues Verfahren für die Verarbeitung von Nickel-reichen Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan (NCM)-Elektroden entwickelt, welches bisherige Hürden überwindet.
Bindemittelsystem verhindert Leistungseinbußen
Bei der Verwendung von Wasser als Lösungsmittel kommt es zu einem Lithium-Ionen (Li+) / Wasserstoff-Ionen (H+) Austausch, sobald NCM mit Wasser in Berührung kommt. Der Lithium-Wasserstoff-Ionen-Ausgleich führt zu einem hohen pH-Wert der wässrigen Elektrodenpaste und letztlich zur Korrosion des Stromsammlers. Die Folge: Die elektrochemische Performanz der Zelle sinkt drastisch.
Dem interdisziplinären Team aus MEET und HI MS Forschenden gelang es nun, einen neuen Weg für die wässrige Verarbeitung von Ni-reichen NCM-Elektroden zu entwickeln. Eine zentrale Rolle spielt ein aus Lithiumhydroxid (LiOH) und Polyacrylsäure (PAA) bestehendes Bindemittelsystem. Verschiedene molare Verhältnisse von LiOH/PAA ermöglichen es den Forschenden, den pH-Wert der Elektrodenpasten zu stabilisieren. Die Korrosion des Aluminium-Stromsammlers wird dadurch verhindert und eine hohe Anfangskapazität bei guter Zyklenstabilität erzielt. Friederike Reißig, Forscherin am Helmholtz-Institut Münster, erklärt: „Elektrochemische Untersuchungen in graphitbasierten Lithium-Ionen-Batterie-Vollzellen zeigten, dass die langfristige Zyklenstabilität wässrig prozessierter Kathoden mit der von klassisch prozessierten Elektroden vergleichbar ist. Die Herstellung von Kathoden kann somit umweltfreundlicher und ohne Leistungseinbußen für die Batterie dargestellt werden.“
Vollständige Studie in ChemSusChem verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Forschenden Friederike Reißig, Helmholtz-Institut Münster, Sebastian Puls, Dr. Tobias Placke, Dr. Richard Schmuch und Dr. Aurora Gomez-Martin, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, im Fachmagazin „ChemSusChem“ veröffentlicht.