Neues Kathodenmaterial entwickelt und patentiert

Damit kann die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie um bis zu 10% verlängert werden

18.10.2024

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Ein Forschungsteam des Skoltech Energy Center unter der Leitung von Artem Abakumov, Distinguished Professor und Direktor des Zentrums, sicherte sich ein Patent für hochkapazitive Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien, die aus geschichteten nickelreichen Übergangsmetalloxiden hergestellt werden, sowie ein neues hydrothermales, mikrowellenunterstütztes Verfahren zu deren Herstellung. Das neue Verfahren ist schneller und billiger, und das Kathodenmaterial selbst hält etwa 10 % länger als die auf dem Markt erhältlichen Materialien. Die Technologie wird dazu beitragen, den elektrischen Verkehr in Russland effektiver zu entwickeln. Die Ergebnisse der Studie wurden im Journal of Power Sources veröffentlicht.

"Wir verwenden eine hydrothermale, mikrowellenunterstützte Behandlung, um kugelförmige Partikel des Vorläufers des Kathodenmaterials mit einer dünnen Schicht Kobalthydroxid zu überziehen. Die anschließende Hochtemperatur-Lithisierung führt zu einem Konzentrationsgradienten, der sich in der oberflächennahen Schicht bildet, und zu einer einzigartigen Morphologie - die Primärpartikel sind radial im Agglomerat angeordnet und nicht zufällig, wie es bei anderen auf dem Markt erhältlichen Materialien der Fall ist", so Senior Research Scientist Alexandra Savina, Mitautorin des Patents und des Artikels.

In der ersten Phase erhielt das Team einen Hydroxidvorläufer (ein Stoff, der an der Reaktion beteiligt ist, die zur Bildung eines anderen Stoffes führt), in dem Nickel-, Mangan- und Kobaltkationen auf atomarer Ebene homogen vermischt sind. Anschließend wurde die Suspension mit einer wässrigen Lösung von Carbamid und einer Kobaltquelle in einen hydrothermalen Mikrowellenreaktor gegeben, wo sie etwa 15 Minuten lang verarbeitet wurde. Danach erhielt das Team einen Vorläufer, der mit einer gleichmäßigen, mit Kobalt angereicherten Schale bedeckt war. In der Phase der Hochtemperaturlithifizierung wird der Vorläufer mit einer Lithiumquelle vermischt und einer Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen unterzogen. Heute wird auf dem Markt hauptsächlich das Verfahren der Ko-Präzipitation anstelle der Mikrowellenverarbeitung eingesetzt, das mehr als 12 Stunden dauert.

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"Die Bildung eines Konzentrationsgradienten in Verbindung mit einer einzigartigen Morphologie bietet mehrere Vorteile: die Stabilität des Materials und seine hohe Kapazität bei unterschiedlichen Zyklusraten. Dank unseres Materials funktioniert die Lithium-Ionen-Batterie etwa 10 % länger. Außerdem verwenden wir billige Reagenzien - Harnstoff (Carbamid)", fügte Alexandra Savina hinzu.

Die Entwicklung fortschrittlicher Energiespeichertechnologien ist eine der wichtigsten wissenschaftlichen und technologischen Aufgaben in Russland. Zuvor hatte die Regierung der Russischen Föderation eine Roadmap mit dem Titel "Technologien für die Entwicklung von Stromspeichern, einschließlich tragbarer Systeme" und ein Konzept für die Entwicklung der Produktion und des Einsatzes von Elektrofahrzeugen in Russland bis zum Jahr 2030 verabschiedet, die darauf abzielen, die technologische Entwicklung zu beschleunigen und in diesem Bereich eine weltweit führende Position zu erreichen. Das Forschungsteam von Skoltech und die am Institut gegründeten Start-ups arbeiten seit mehreren Jahren aktiv an der Umsetzung der in der Roadmap festgelegten Aufgaben.

"Heute ist Skoltech der größte Inhaber von geistigem Eigentum an Oxidkathodenmaterialien in Russland, was den Weg für die Produktion von Energiespeichern in der Russischen Föderation ebnen wird. Unser Zentrum entwickelt aktiv sowohl neue Kathodenmaterialien als auch effizientere Technologien für deren industrielle Produktion. Der größte Teil der Kosten eines Elektrofahrzeugs entfällt auf die Batterie, und innerhalb dieser Batterie trägt das Kathodenmaterial am stärksten zu den Gesamtkosten bei. Folglich ist eine Senkung der Produktionskosten des Kathodenmaterials um 10 % bei gleichzeitiger Beibehaltung der Kapazität und der Leistungseigenschaften ein entscheidender Maßstab für die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit des Marktes", so Artem Abakumov.

Die Autoren weisen darauf hin, dass eines der Ziele der Roadmap die Herstellung von Zellen mit einer maximalen Energiedichte von 260 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) ist, aber bereits jetzt produziert das Team Prototypen von Zellen mit einer spezifischen Energieintensität von mehr als 250 Wh/kg, und mit der Umstellung auf das Material der nächsten Generation kann diese auf 300 Wh/kg gesteigert werden. Darüber hinaus erwarten die Skoltech-Forscher in diesem Jahr die Inbetriebnahme des ersten russischen Rollenofens für die Hochtemperatur-Precursor-Lithiation mit einer Kapazität von bis zu 85 Tonnen pro Jahr. Das Zentrum hat bereits mit dem Bau einer neuen Anlage zur Herstellung von Vorprodukten mit einer Kapazität von 20 Tonnen pro Jahr begonnen, die in allen Phasen des technologischen Prozesses voll automatisiert sein wird. Die ersten Daten für das neue Projekt wurden während des Betriebs einer Pilotanlage für bis zu 10 Tonnen Vorprodukte pro Jahr gewonnen, die mit russischen Komponenten zusammengebaut wurde. In diese Projekte fließen die Kompetenzen des aus Skoltech hervorgegangenen Startups Rustor ein - ein kleines Technologieunternehmen. Mit Hilfe der im Aufbau befindlichen Produktionslinie plant Rustor, neue nickelhaltige Kathodenmaterialien auf den Markt zu bringen, um sie im Bereich der Elektromobilität einzusetzen, sowie Materialien, die speziell für unbemannte Flugzeuge entwickelt wurden.

"Im zweiten Studienjahr haben wir begonnen, uns mit Kathodenmaterialien mit Kern-Schale-Struktur zu beschäftigen. Dieses Thema hat mir sehr gefallen, so dass ich keine Zweifel hatte, wo ich mein Studium fortsetzen sollte. Dieses Programm und die Forschungsgruppe haben mir viel gegeben: unglaubliches Wissen, ein Patent, einen gemeinsamen Artikel in einer angesehenen Zeitschrift und berufliches Wachstum. Ich habe gelernt, wie man mit Geräten, Reagenzien und den besten Mikroskopen arbeitet. Ich würde gerne noch mehr Zeit in diese Arbeit investieren", so Ekaterina.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Originalveröffentlichung

Lyutsia A. Sitnikova, Aleksandra A. Savina, Anatolii V. Morozov, Alexander A. Golubnichiy, Ekaterina A. Dolzhikova, Ivan A. Moiseev, Sergey Yu Luchkin, Artem M. Abakumov; "Improving electrochemical performance of Ni-rich layered cathode material with combining Co-enriched compositional gradient and radial microstructure"; Journal of Power Sources, Volume 602

https://www.chemie.de/news/1184677/neues-kathodenmaterial-entwickelt-und-patentiert.html