Echtzeitüberwachung von Lithium könnte die Leistung von EV-Batteriematerialien verbessern

Forscher verfolgten die Bewegung von Lithium-Ionen in einem vielversprechenden neuen Batteriematerial

17.10.2022 - Großbritannien

Forscher haben herausgefunden, dass die unregelmäßige Bewegung von Lithium-Ionen in Batteriematerialien der nächsten Generation deren Kapazität verringern und ihre Leistung beeinträchtigen könnte.

Das Team unter der Leitung der Universität Cambridge verfolgte die Bewegung der Lithium-Ionen in einem vielversprechenden neuen Batteriematerial in Echtzeit.

Bisher war man davon ausgegangen, dass der Mechanismus, mit dem Lithiumionen in Batteriematerialien gespeichert werden, für die einzelnen aktiven Partikel einheitlich ist. Das von Cambridge geleitete Team fand jedoch heraus, dass die Lithiumspeicherung während des Lade-Entlade-Zyklus alles andere als gleichmäßig verläuft.

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Wenn sich die Batterie dem Ende ihres Entladezyklus nähert, sind die Oberflächen der aktiven Partikel mit Lithium gesättigt, während ihre Kerne einen Lithiummangel aufweisen. Dies führt zum Verlust von wiederverwendbarem Lithium und zu einer geringeren Kapazität.

Die von der Faraday Institution finanzierte Forschung könnte dazu beitragen, bestehende Batteriematerialien zu verbessern und die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation zu beschleunigen. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Joule veröffentlicht.

Elektrofahrzeuge (EVs) sind für den Übergang zu einer kohlenstofffreien Wirtschaft unerlässlich. Die meisten Elektrofahrzeuge, die heute unterwegs sind, werden mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, was zum Teil auf ihre hohe Energiedichte zurückzuführen ist.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und der Forderung nach größeren Reichweiten und kürzeren Ladezeiten müssen jedoch die derzeitigen Batteriematerialien verbessert und neue Materialien entwickelt werden.

Einige der vielversprechendsten dieser Materialien sind die hochmodernen positiven Elektrodenmaterialien, die als geschichtete Lithium-Nickel-reiche Oxide bekannt sind und in Premium-EVs weit verbreitet sind. Allerdings sind ihre Funktionsmechanismen, insbesondere der Lithium-Ionen-Transport unter praktischen Betriebsbedingungen, und der Zusammenhang mit ihrer elektrochemischen Leistung noch nicht vollständig geklärt, so dass wir noch keine maximale Leistung aus diesen Materialien herausholen können.

Indem die Forscher unter dem Mikroskop verfolgten, wie Licht mit aktiven Partikeln während des Batteriebetriebs interagiert, beobachteten sie deutliche Unterschiede bei der Lithiumspeicherung während des Lade-Entlade-Zyklus in nickelreichem Mangan-Kobalt-Oxid (NMC).

"Dies ist das erste Mal, dass diese Ungleichmäßigkeit in der Lithiumspeicherung direkt in einzelnen Partikeln beobachtet wurde", sagte die Ko-Erstautorin Alice Merryweather vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge. "Echtzeittechniken wie unsere sind unerlässlich, um dies zu erfassen, während die Batterie zyklisch läuft.

Durch die Kombination der experimentellen Beobachtungen mit Computermodellen fanden die Forscher heraus, dass die Ungleichmäßigkeit auf drastische Veränderungen der Lithium-Ionen-Diffusionsgeschwindigkeit in NMC während des Lade-/Entladezyklus zurückzuführen ist. Insbesondere diffundieren Lithiumionen in vollständig lithiierten NMC-Teilchen nur langsam, aber die Diffusion wird erheblich verstärkt, sobald einige Lithiumionen aus diesen Teilchen extrahiert werden.

"Unser Modell bietet Einblicke in den Bereich, in dem die Lithium-Ionen-Diffusion in NMC während der frühen Phasen des Ladevorgangs variiert", so die Co-Erstautorin Dr. Shrinidhi S. Pandurangi vom Cambridge Department of Engineering. "Unser Modell hat die Lithiumverteilungen genau vorhergesagt und den in Experimenten beobachteten Grad der Heterogenität erfasst. Diese Vorhersagen sind der Schlüssel zum Verständnis anderer Degradationsmechanismen von Batterien, wie z. B. dem Bruch von Partikeln".

Die Lithium-Heterogenität am Ende der Entladung ist ein Grund dafür, dass nickelhaltige Kathodenmaterialien nach dem ersten Lade-/Entladezyklus in der Regel etwa zehn Prozent ihrer Kapazität verlieren.

"Dies ist bedeutsam, wenn man bedenkt, dass ein Industriestandard, der verwendet wird, um zu entscheiden, ob eine Batterie ausgemustert werden sollte oder nicht, darin besteht, dass sie 20 Prozent ihrer Kapazität verloren hat", sagte Dr. Chao Xu, Mitautor der Studie von der ShanghaiTech University.

Die Forscher suchen nun nach neuen Ansätzen, um die praktische Energiedichte und Lebensdauer dieser vielversprechenden Batteriematerialien zu erhöhen.

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