Entscheidendes Hindernis für langlebigere Batterien entdeckt
Forscher haben herausgefunden, warum LiNiO2-Batterien kaputt gehen
Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO2) hat sich als potenzielles neues Material für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien mit längerer Lebensdauer erwiesen. Die Kommerzialisierung des Materials ist jedoch ins Stocken geraten, weil es sich nach wiederholtem Aufladen zersetzt.
Matthew Bergschneider, Doktorand der Materialwissenschaften und des Ingenieurwesens, und seine Forscherkollegen haben herausgefunden, warum Lithium-Nickeloxid-Batterien kaputt gehen. Sie testen eine Lösung, die ein entscheidendes Hindernis für die breite Nutzung des Materials beseitigen könnte.
The University of Texas at Dallas
Forscher der University of Texas in Dallas haben herausgefunden, warum LiNiO2-Batterien kaputt gehen, und sie testen eine Lösung, die ein Haupthindernis für die breite Nutzung des Materials beseitigen könnte. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 10. Dezember online in der Zeitschrift Advanced Energy Materials.
Das Team plant, LiNiO2-Batterien zunächst im Labor herzustellen und schließlich mit einem Industriepartner zusammenzuarbeiten, um die Technologie zu vermarkten.
"Die Degradation von Batterien, die mit LiNiO2 hergestellt wurden, ist seit Jahrzehnten ein Problem, aber die Ursache wurde nicht gut verstanden", sagte Dr. Kyeongjae Cho, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science und Direktor des Programms Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS). "Jetzt, da wir wissen, warum dies geschieht, arbeiten wir an einer Lösung, damit die Technologie für eine längere Batterielebensdauer in einer Reihe von Produkten wie Telefonen und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden kann."
Die Forschung ist ein Projekt der BEACONS-Initiative der UTD, die im Jahr 2023 mit 30 Millionen Dollar vom Verteidigungsministerium gestartet wurde. Die BEACONS-Initiative hat die Aufgabe, neue Batterietechnologien und Herstellungsverfahren zu entwickeln und zu vermarkten, die inländische Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe zu verbessern und hochqualifizierte Arbeitskräfte für eine wachsende Zahl von Beschäftigten im Bereich der Batteriespeicherung auszubilden.
Um herauszufinden, warum LiNiO2-Batterien in der letzten Phase des Ladevorgangs zusammenbrechen, analysierten Forscher der UT Dallas den Prozess mithilfe von Computermodellen. Die Studie umfasste das Verständnis chemischer Reaktionen und der Umverteilung von Elektronen durch Materialien auf atomarer Ebene.
In Lithium-Ionen-Batterien fließt elektrischer Strom aus einem Leiter, der Kathode, einer positiven Elektrode, in eine Anode, eine negative Elektrode. Die Anode besteht in der Regel aus Kohlenstoffgraphit, der das Lithium auf einem höheren Potenzial hält. Während der Entladung kehren die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode zurück und senden Elektronen zurück zur lithiumhaltigen Kathode, eine elektrochemische Reaktion, die Strom erzeugt. Kathoden bestehen in der Regel aus einer Materialmischung, die Kobalt enthält, ein knappes Material, das die Wissenschaftler durch Alternativen wie Lithium-Nickel-Oxid ersetzen wollen.
Die UTD-Forscher fanden heraus, dass eine chemische Reaktion mit Sauerstoffatomen in LiNiO2 dazu führt, dass das Material instabil wird und bricht. Um das Problem zu lösen, entwickelten sie eine theoretische Lösung, die das Material durch Hinzufügen eines positiv geladenen Ions oder Kations verstärkt, um die Materialeigenschaften zu verändern und "Säulen" zur Verstärkung der Kathode zu schaffen.
Matthew Bergschneider, ein Doktorand der Materialwissenschaften und des Ingenieurwesens und Erstautor der Studie, hat ein robotergestütztes Labor zur Herstellung von Batterieprototypen eingerichtet, um Syntheseverfahren mit hohem Durchsatz für die entwickelten LiNiO2-Kathoden zu erforschen. Die Roboterfunktionen werden bei der Synthese, Bewertung und Charakterisierung der Materialien helfen.
"Wir werden zunächst eine kleine Menge herstellen und den Prozess verfeinern", sagt Bergschneider, ein Eugene McDermott Graduate Fellow. "Dann werden wir die Materialsynthese ausweiten und Hunderte von Batterien pro Woche in der BEACONS-Anlage herstellen. Dies sind alles Schritte auf dem Weg zur Kommerzialisierung".
Zu den weiteren an der Studie beteiligten Forschern gehören Fantai Kong PhD'17, Patrick Conlin PhD'22, Dr. Taesoon Hwang, Forschungswissenschaftler im Bereich Materialwissenschaft und Technik, und Dr. Seok-Gwang Doo vom Korea Institute of Energy Technology.
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