Studie: Luftexposition beschleunigt das Altern von nickelreichen Batterien
Forscher an der Hanyang-Universität in Südkorea haben einen zuvor übersehenden Alterungsmechanismus in kobaltfreien, nickelreichen Kathodenmaterialien identifiziert. Ihre Erkenntnisse deuten darauf hin, dass bereits das Lagern der Vorstufenmaterialien in der Luft chemische Veränderungen auslösen kann, die die Lebensdauer der Batterien erheblich verkürzen.
Die Forscher konzentrierten sich auf kobaltfreie Kathoden mit einem nickelreichen Kern und einer mangangereichen Schicht. Diese Materialien gelten als vielversprechende Lösung, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen und gleichzeitig die Abhängigkeit von dem kritischen Rohstoff Kobalt zu verringern. Allerdings stellte das Team fest, dass bereits das Lagern der Vorstufenmaterialien in der Luft chemische Veränderungen auslösen kann, die das Altern der Batterien beschleunigen.
Laut der Studie führt das Lagern von Vorstufenmaterialien in der Luft dazu, dass Mangan an der Partikeloberfläche oxidiert. Diese Oxidation erzeugt defekte Oberflächenbereiche, die sogenannte Jahn-Teller-verzerrte Manganverbindungen enthalten. Diese Verbindungen reagieren besonders stark mit dem Elektrolyten, fördern die Auflösung von Übergangsmetallen und lösen schädliche Reaktionen am Graphit-Anode aus. In den nickelreichen Batteriesystemen, die untersucht wurden, stellten die Forscher fest, dass dieser Effekt den Kapazitätsverlust während langfristiger Zykletest fast verdoppelte.
„Wir haben festgestellt, dass eine manganreiche Schicht, die normalerweise zur Schutz der hochnickelhaltigen Kathoden eingesetzt wird, stattdessen zu einem Katalysator für die Degradation werden kann, wenn die Chemie der Vorstufenmaterialien nicht sorgfältig kontrolliert wird“, erklärte Prof. Bang. „Selbst kleine Abweichungen in der Lagerungsgeschichte der Vorstufenmaterialien können die Stabilität der Batterie erheblich beeinflussen.“
Als mögliche Lösung schlagen die Forscher vor, den Lithiumgehalt während der Synthese zu erhöhen. Laut der Studie unterdrückt dieser Ansatz die Entstehung der fehlerhaften Oberflächenphase und stellt eine stabile Mangan-Sauerstoff-Verbindung wieder her. In den Tests behielten Kathoden, die mit dieser Methode hergestellt wurden, mehr als 90 % ihrer Kapazität bei, was eine deutlich verbesserte Langzeittestabilität zeigt.
Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass die Ergebnisse wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung kobaltfreier, hochenergetischer Kathoden liefern. Sie betonen, dass es nicht ausreicht, Kobalt einfach wegzulassen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass selbst geringfügige Unterschiede in der Herkunft der Vorläufermaterialien erhebliche Auswirkungen auf die Leistung von Batterien haben können, wodurch die Verwaltung dieser Vorläufermaterialien eine wichtige Überlegung bei der großtechnischen Fertigung darstellt“, fügte Prof. Bang hinzu.
Laut den Forschern könnte eine sorgfältige Kontrolle der Materialhandhabung sowie der Lithium-Stoichiometrie einen relativ einfachen Weg zu langlebigeren Batterien bieten, ohne kostspielige zusätzliche Beschichtungen oder grundlegende Änderungen an den Produktionslinien erforderlich zu machen.
Zur Klarstellung untersucht die Studie nicht die LFP- und NMC-Batterien, die heute in den meisten Elektrofahrzeugen verwendet werden. Stattdessen konzentriert sie sich auf kobaltfreie, hochnickelhaltige Kathoden mit mangangereichen Schutzschichten, die als möglicher Nachfolger der heutigen nickelreichen Lithium-Ionen-Zellen entwickelt werden. Die Erkenntnisse liefern daher Einblicke in die Entwicklung zukünftiger Antriebsbatterien und zeigen, dass die langfristige Haltbarkeit nicht nur von der Zellchemie abhängt, sondern auch von einer sorgfältigen Kontrolle des Herstellungsprozesses.