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Degradation bei Lithiumionen-Batterien verstehen

Für die Kathode einer Lithiumionen-Batterie kommen überwiegend Schichtoxide aus Nickel, Mangan und Kobalt in verschiedenen Mengenverhältnissen zum Einsatz. Manganreiche Materialien mit Lithiumüberschuss erreichen eine um etwa 30 % höhere Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Materialkompositionen. Doch ihre starke Degradation hat bislang ihren Einsatz für Hochenergiebatterien verhindert.

Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und kooperierender Einrichtungen haben neue Erkenntnisse zu den wenig erforschten Degradationsmechanismen bei lithiumreichen Schichtoxiden gewonnen. Für die Untersuchungen wählten sie kobaltfreies Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2 als Kathodenmaterial, das aufgrund der reversiblen Sauerstoff-Redoxaktivität eine hohe Energiedichte aufweist und außerdem kostengünstig und ressourcenschonend ist.

„Auf Basis von detaillierten Untersuchungen des Hochenergie-Kathodenmaterials konnten wir zeigen, dass die Degradation indirekt von lithiumhaltigen Kochsalzstrukturen hervorgerufen wird“, sagt Weibo Hua, einer der Hauptautoren der Studie.

Die Merkmale der Oxide bei Lithiumkonzentrationen von 0 bis 1,52 direkt nach der Synthese wurden miteinander verglichen. Bis etwa 0,4 blieb der kubische Spinell thermodynamisch stabil. Zwischen 0,4 und 1,2 koexistieren drei verschiedene Phasen: Ein Li-haltiger Spinell, eine Li-haltige Steinsalzschicht und eine Li-reiche Schicht. Die weitere Einarbeitung von Lithium (bis 1,52) führt zu stabil monoklinisch geschichteten Phasen.

Zur Darstellung der Phasenübergänge unterzogen die Forscher das Material einer Hochtemperatur-SRD (Synchotron Radiation Diffraction). Nach einigen Zyklen werden Sauerstoff und Lithium freigesetzt. Als Folge wandelt sich das Aktivmaterial in Li-haltige Steinsalzphasen und dann in Li-arme Spinellphasen um, was einen Spannungsabfall bewirkt.

Die Ergebnisse der Studie können die Grundlage für neue Ansätze sein, die Degradation zu minimieren und damit eine Hochenergiebatterie zu entwickeln.

W. Hua et al.: Structural Insights into the Formation and Voltage Degradation of High-Energy Lithium- and Manganese-Rich Layered Oxides; Nature ­Communications, 2019

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