Umhüllte Partikel bringen Stabilität Spannungsabbau im Lithium-Ionen-Akku

Elektroautos tanken Strom – und der wird meist in Lithium-Ionen-Akkus gespeichert. Um diese weiter zu verbessern, haben Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich zusammen mit Partnern aus Südkorea das Kathodenmaterial genauer untersucht. Sie fanden heraus, dass eine uneinheitliche Komposition des Materials die Leistung und Stabilität der Akkus verbessern kann..

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Jülich, Seoul/Südkorea – Die Batterie ist das Herzstück eines jeden Elektrofahrzeugs. Momentan kommen dabei fast ausschließlich Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Sie vertragen viele Ladezyklen und ihre Energiedichte, bzw. Entladekapazität, hat sich seit ihrer Einführung in den frühen neunziger Jahren mehr als verdoppelt. Trotzdem sind selbst moderne Lithium-Akkus noch immer unzureichend für E-Fahrzeuge, die eine breitere Verbraucherbasis ansprechen können: zum einen wegen der hohen Kosten, doch vor allem wegen der immer noch zu kurzen Reichweite pro Ladung.

Sowohl die Gesamtleistung als auch die Kosten von Lithium-Ionen-Akkus werden weitgehend vom Kathodenmaterial bestimmt. Verbreitet nutzt man NCM-Kathoden aus Li(NiCoMn)O₂, die sich durch hohe Energiedichten und gute elektrochemische Leistungsfähigkeit auszeichnen. Um unabhängiger vom kritischen Kobalt zu werden, wird bevorzugt nickelreiches NCM mit hoher Speicherkapazität verwendet. Dies geschieht allerdings auf Kosten der Lebensdauer der Kathoden: Mit steigendem Nickelgehalt treten typischerweise Kapazitätsverluste und Überhitzungsprobleme auf.

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Spannung im Kristallgitter

Grund für den Kapazitätsverlust in Ni-reichem NCM ist, dass sich das Kristallgitter des Kathodenmaterials ungleichmäßig ausdehnt und zusammenzieht, verursacht durch den Phasenübergang, der in Ni-reichen NCM-Kathoden im tief geladenen Zustand auftritt. Die inneren Spannungen erzeugen kleinste Risse im Material, durch die der Flüssigelektrolyt der Batterien eindringen kann und die Kathode destabilisiert.

Robert Mücke und Payam Kaghazchi vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) haben zusammen mit dem „Department Material Science and Engineering“ der südkoreanischen Hanyang Universität untersucht, wie die Leistung von Ni-reichen NCM-Partikeln mit einem Kern-Schale-Aufbau verglichen zu einheitlich aufgebauten NCM-Partikeln ist.

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Kern und Schale gegen innere Spannungen

Dazu haben die Wissenschaftler zwei Sorten von Ni-reichen NCM-Partikeln hergestellt: Einmal solche, die einheitlich das gleiche Verhältnis von Nickel, Cobalt und Mangan hatten, und solche, deren Kern und 1,5 µm dicke Schale leicht unterschiedliche Kompositionen hatten, insgesamt aber dasselbe Ni:Co:Mn-Verhältnis wie die einheitliche Partikelsorte.

Die Kern-Schale-Zusammensetzung der Partikel wies deutliche Vorteile gegenüber dem einheitlichen Material auf, wie Modellrechnungen zur Spannungsverteilung ergaben. Diese Simulationen zeigen, dass die besondere Zusammensetzung und die räumliche Anordnung dieser Kathodenmaterialien die internen Spannungen mildern können, die durch den Phasenübergang entstehen. Durch die optimierte Mikrostruktur waren die Zyklenleistung und die thermochemische Stabilität der Kathode deutlich verbessert. Die Kern-Schale-Partikel könnten als Kathodenmaterial also für leistungsfähigere und stabilere Lithium-Ionen-Akkus sorgen und damit die Elektromobilität ein Stück weiterbringen.

Originalpublikation: Un‐Hyuck Kim, Hoon‐Hee Ryu, Jae‐Hyung Kim, Robert Mücke, Payam Kaghazchi, Chong S. Yoon, Yang‐Kook Sun: Microstructure‐Controlled Ni‐Rich Cathode Material by Microscale Compositional Partition for Next‐Generation Electric Vehicles. Advanced Energy Materials, Februar 2019, DOI: 10.1002/aenm.201803902

* Dr. R. Panknin, Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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