Kostengünstige Lithium-Ionen-Batteriekathoden mit hoher Kapazität und zyklischem Betrieb

Ein entscheidender chemischer Aspekt der Verbesserung war die Bildung starker "kovalenter" Bindungen

07.05.2024

Der Lade- und Wiederaufladezyklus von Lithium-Eisenoxid, einer kostengünstigen Kathode mit hoher Kapazität für Lithium-Ionen-Batterien der neuen Generation, kann durch Dotierung mit leicht verfügbaren mineralischen Elementen erheblich verbessert werden.

Die Energiekapazität und die Wiederaufladbarkeit (Zyklizität) von Lithium-Eisenoxid, einem kostengünstigen Kathodenmaterial für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien, wird durch die Zugabe kleiner Mengen an reichlich vorhandenen Elementen verbessert. Über diese Entwicklung, die von Forschern der Hokkaido Universität, der Tohoku Universität und des Nagoya Institute of Technology durchgeführt wurde, wird in der Zeitschrift ACS Materials Letters berichtet.

Lithium-Ionen-Batterien sind aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Mobiltelefone, Elektrofahrzeuge und große Energiespeichersysteme. Es wird ständig daran geforscht, ihre Kapazität, Effizienz und Nachhaltigkeit zu erhöhen. Eine große Herausforderung besteht darin, die Abhängigkeit von seltenen und teuren Ressourcen zu verringern. Ein Ansatz ist die Verwendung effizienterer und nachhaltigerer Materialien für die Batteriekathoden, an denen wichtige Elektronenaustauschprozesse stattfinden.

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Die Forscher arbeiteten an der Verbesserung der Leistung von Kathoden auf der Grundlage einer bestimmten Lithium-Eisen-Oxid-Verbindung. Im Jahr 2023 berichteten sie über ein vielversprechendes Kathodenmaterial, _Li5FeO4, das durch Redoxreaktionen von Eisen und Sauerstoff eine hohe Kapazität aufweist. Bei seiner Entwicklung traten jedoch Probleme im Zusammenhang mit der Produktion von Sauerstoff während der Lade- und Wiederaufladezyklen auf.

"Wir haben nun herausgefunden, dass die Zyklierbarkeit durch die Dotierung der Kristallstruktur der Kathode mit geringen Mengen an reichlich vorhandenen Elementen wie Aluminium, Silizium, Phosphor und Schwefel erheblich verbessert werden kann", sagt Associate Professor Hiroaki Kobayashi von der Abteilung für Chemie der wissenschaftlichen Fakultät der Hokkaido-Universität.

Ein entscheidender chemischer Aspekt der Verbesserung war die Bildung starker "kovalenter" Bindungen zwischen den Dotierstoff- und Sauerstoffatomen in der Struktur. Diese Bindungen halten die Atome zusammen, wenn Elektronen zwischen den Atomen ausgetauscht werden, im Gegensatz zur "ionischen" Wechselwirkung zwischen positiv und negativ geladenen Ionen.

"Die kovalente Bindung zwischen dem Dotierstoff und den Sauerstoffatomen macht die problematische Freisetzung von Sauerstoff energetisch weniger günstig und damit unwahrscheinlicher", sagt Kobayashi.

Die Forscher nutzten Röntgenabsorptionsanalysen und theoretische Berechnungen, um die feinen Details der Veränderungen in der Struktur des Kathodenmaterials zu untersuchen, die durch die Einführung verschiedener Dotierungselemente verursacht werden. So konnten sie theoretische Erklärungen für die beobachteten Verbesserungen vorschlagen. Sie nutzten auch elektrochemische Analysen, um die Verbesserungen bei der Energiekapazität der Kathode, der Stabilität und dem Wechsel zwischen Lade- und Entladephasen zu quantifizieren, wobei eine Steigerung der Kapazitätserhaltung von 50 % auf 90 % festgestellt wurde.

"Wir werden diese neuen Erkenntnisse weiter ausbauen, in der Hoffnung, einen bedeutenden Beitrag zu den Fortschritten in der Batterietechnologie zu leisten, die von entscheidender Bedeutung sein werden, wenn elektrische Energie die Nutzung fossiler Brennstoffe weitgehend ersetzen soll, wie es die weltweiten Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels erfordern", so Kobayashi abschließend.

In der nächsten Phase der Forschungsarbeiten sollen die Herausforderungen und Möglichkeiten für die Übertragung der Methoden in eine marktreife Technologie untersucht werden.

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Originalveröffentlichung

Hiroaki Kobayashi, Yuki Nakamura, Yumika Yokoyama, Itaru Honma, Masanobu Nakayama; "Toward Cost-Effective High-Energy Lithium-Ion Battery Cathodes: Covalent Bond Formation Empowers Solid-State Oxygen Redox in Antifluorite-Type Lithium-Rich Iron Oxide"; ACS Materials Letters, 2024-4-22

https://www.chemie.de/news/1183391/kostenguenstige-lithium-ionen-batteriekathoden-mit-hoher-kapazitaet-und-zyklischem-betrieb.html