Neues Kathodenmaterial verlängert die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus signifikant

Forscher des Skoltech Energy Center haben ein Patent für hochkapazitive Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien angemeldet. Diese sind aus geschichteten, nickelreichen Übergangsmetalloxiden. Zudem sicherten sie sich das Patent für ein neues hydrothermales, mikrowellenunterstütztes Verfahren zur Herstellung. Das neue Herstellungsverfahren ist kostengünstiger und schneller, und das Kathodenmaterial hält 10% länger als die Materialien auf dem Markt.

Lebensdauer der Batterien um 10% verlängern

Anders als herkömmliche Materialien auf dem Markt hält das neue Kathodenmaterial circa 10% länger. Diese innovative Technologie soll helfen, den elektrischen Verkehr in Russland effektiver zu entwickeln. Senior Research Scientist Alexandra Savina und Mitautorin des Patents und des Artikels, erklärt:

„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 [marktüblichen] Materialien der Fall ist.“

Die Verfahren zur Herstellung

In der ersten Herstellungsphase erhielten die Forschenden einen Hydroxidvorläufer, in dem Nickel-, Mangan- und Kobaltkationen auf atomarer Ebene homogen vermischt sind. Im Anschluss daran gab man die Suspension mit einer wässrigen Lösung von Carbamid und einer Kobaltquelle in einen hydrothermalen Mikrowellenreaktor, wo man die Lösung circa 15 Minuten lang verarbeitete. Danach entstand ein Vorläufer des Endprodukts, der mit einer gleichmäßigen, mit Kobalt angereicherten Schale bedeckt war. In der nächsten Phase der Hochtemperatur-Lithifizierung vermischte man dieses Produkt mit einer Lithiumquelle und unterzog es einer Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen. Heutzutage wendet man auf dem Markt überwiegend das Herstellungsverfahren der Ko-Präzipitation anstelle der Mikrowellenverarbeitung an. Alexandra Savina betont zudem:

„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).“

Energiespeichertechnologie in Russland ist eine wichtige Branche

Die Entwicklung in der Energiebranche ist wichtig für Russland, vor allem in der Energiespeichertechnologie. Sie gilt als wichtige wissenschaftliche und technologische Aufgabe in Russland. Die Regierung der Russischen Föderation verabschiedete die Roadmap „Technologien für die Entwicklung von Stromspeichern, einschließlich tragbarer Systeme“ sowie ein Konzept für die Entwicklung der Elektromobilität.

Dies umfasst die Produktion und den Einsatz von Elektrofahrzeugen in Russland bis zum Jahr 2030 und zielt darauf ab, die technologische Entwicklung zu beschleunigen und weltweit eine führende Position zu erreichen. Neben dem Forschungsteam von Skoltech arbeiteten auch die am Institut gegründeten Start-ups seit vielen Jahren an der Realisierung der festgelegten Roadmap-Ziele. Eines dieser Ziele ist die Herstellung von Zellen mit einer maximalen Energiedichte von 260 Wh/kg. Doch bereits jetzt stellt das Team Prototypen mit 250 Wh/kg. Mit dem Kathodenmaterial der neusten Generation kann man die Energiedichte beispielsweise auf 300 Wh/kg steigern.

Artem Abakumov, Professor und Direktor des Skoltech Zentrums, erklärt:

„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. […] 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.“

Erster russischer Rollenofen für Hochtemperatur-Precursor-Lithiation erwartet

Ferner erhalten die Forscher den ersten russischen Rollenofen für die Hochtemperatur-Precursor-Lithiation mit einer Kapazität von bis zu 85 Tonnen pro Jahr. Darüber hinaus begann das Skoltech Energy Center mit der Errichtung der neuen Anlage zur Herstellung von Vorprodukten. Die vollautomatische Anlage soll 20 Tonnen pro Jahr bereitstellen. An dem Projekt arbeitet z.B. auch das Technologie-Startup Rustor und plant, mit Aufbau der Produktionslinie, neue nickelhaltige Kathodenmaterialien und andere Materialien auf den Markt zu bringen. Das Kathodenmaterial soll im Bereich der Elektromobilität zum Einsatz kommen, wohingegen andere Materialien für unbemannte Flugzeuge vorgesehen sind.

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