Neues Syntheseverfahren für NCA-Kathodenmaterialien hochenergetischer Lithium-Ionen-Batterien

Nickel-reiche Schichtoxide wie Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) gelten als vielversprechendes Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien. Durch die Zugabe von Aluminium wird die thermische und strukturelle Stabilität der Kathodenmaterialien verbessert. Eine große Herausforderung bei der Synthese dieser Materialien stellt die homogene Einbindung des Aluminiums bei typischen Co-Fällungsreaktionen dar. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt entwickelten Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und dem SUNUM der Sabancı-Universität in Istanbul ein alternatives Syntheseverfahren für NCA-Kathodenmaterialien, das genau diese Anforderung erfüllt.

Stabile Nickelhaltige Kathodenmaterialien

Das neu entwickelte Vorgehen basiert auf der Synthese mittels einer auf Kohlenstofffasern (CF) basierenden Vorlage durch eine modifizierte Pechini-Methode. Dieses Syntheseverfahren für hochhomogene Oxidmaterialien ermöglicht es, das Aluminium homogen in die NCA-Vorläuferstruktur zu integrieren und gleichzeitig die Partikelmorphologie anpassen zu können. „Indem wir die Partikel mit der CF-Vorlage synthetisieren, entstehen anisotrope Oberflächen, deren physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften richtungsabhängig sind. Diese erleichtern nicht nur den Ionentransport innerhalb der Zelle, sondern stabilisieren Kathodenmaterialien auch für den Betrieb bei hohen Zellspannungen und Temperaturen“, erklärt MEET Wissenschaftlerin Dr. Aurora Gómez Martín.

Indem die Synthesemethode außerdem eine unkomplizierte Anpassung der Partikelgröße, -form und -kristallinität ermöglicht, können stabile nickelhaltige Kathodenmaterialien entwickelt werden. Dr. Buse Bulut Köpüklü vom SUNUM, die ein achtmonatiges Praxissemester am MEET Batterieforschungszentrum absolvierte, fasst zusammen: „Die mit unserem Verfahren synthetisierten Materialien weisen eine höhere Performanz auf als Kathodenmaterialien, die ohne CF-Vorlage synthetisiert wurden. Dadurch ebnet unsere Studie den Weg, die Synthese von NCA-Kathodenmaterialien weiter anzupassen und zu optimieren.“

Komplette Studie frei verfügbar

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Forschung haben die MEET Wissenschaftler*innen Dr. Aurora Gómez Martín, Dr. Tobias Placke, Dr. Richard Schmuch und Prof. Dr. Martin Winter gemeinsam mit Dr. Buse Bulut Köpüklü, Prof. Dr. Selmiye Alkan Gürsel and Assoc. Prof. Dr. Alp Yürüm vom SUNUM in Istanbul als Open-Access-Artikel in dem Fachmagazin „ACS Sustainable Chemistry & Engineering“ veröffentlicht.