Warum gehen Lithium-Nickel-Oxid-Batterien so schnell kaputt?

Forscher scheinen nun herausgefunden zu haben, warum LiNiO2-Batterien schnell kaputtgehen. Bisher galt Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO2) als neues Material für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien mit längerer Lebensdauer. Jedoch kam es zu einem Stopp der Kommerzialisierung des Materials, da sich das Material nach wiederholtem Aufladen zersetzt. Jetzt fanden Forschende heraus, warum das so ist.

Forschungsergebnisse deuten auf Durchbruch hin

Wissenschaftler haben die Ursachen für den Leistungsabfall von LiNiO2-Batterien identifiziert und arbeiten an einer Lösung, um diese Schwachstelle zu beheben. Dies könnte die breite Anwendung des Materials in der Batterietechnologie erheblich voranbringen. Das Forschungsteam plant, LiNiO2-Batterien zunächst im Labormaßstab zu fertigen und anschließend in Zusammenarbeit mit Industriepartnern die Technologie zur Marktreife zu bringen. Diese Fortschritte tragen zur beschleunigten Entwicklung von Festkörperbatterien bei, wie auch das Kompetenzcluster für Festkörperbatterien (FestBatt) durch aktuelle Forschungserfolge bestätigt.

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), betont zudem:

„Die Degradation von Batterien, die mit LiNiO2 hergestellt wurden, ist seit Jahrzehnten ein Problem, aber die Ursache wurde nicht gut verstanden. 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.“

Forschung Teil der BEACONS-Initiative der UTD

Die Forschungen sind Bestandteile der BEACONS-Initiative der UTD, die das Verteidigungsministerium im Jahr 2023 mit 30 Millionen Dollar startete. Diese Initiative hat die Aufgabe, neue Batterietechnologien und Herstellungsverfahren zu entwickeln und zu vermarkten. Darüber hinaus zählen zu den weiteren Aufgaben auch die Verbesserung der inländischen Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe und die Ausbildung hochqualifizierter Arbeitskräfte für den Bereich der Batteriespeicherung.

Analyse des Degradationsmechanismus von LiNiO2-Kathoden

Mittels hochentwickelter Computermodelle haben Wissenschaftler der UT Dallas die Mechanismen identifiziert, die zum Versagen von LiNiO2-Kathoden in der Endphase des Ladezyklus führen. Diese Untersuchungen konzentrierten sich auf die detaillierte Analyse der Reaktionswege und der elektronischen Strukturveränderungen auf atomarer Ebene. In gängigen Lithium-Ionen-Batterien wird der Ladungstransport durch die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen einer positiven Elektrode (Kathode) und einer negativen Elektrode (Anode) ermöglicht. Die Anode, meist aus Graphit, dient als Speicher für Lithium-Ionen bei einem erhöhten Potenzial. Während des Entladevorgangs kehren diese Ionen zur Kathode zurück, was einen Elektronenfluss und somit die Stromerzeugung bewirkt. Die üblicherweise verwendeten Kathodenmaterialien basieren auf Kobalt, einem kritischen Rohstoff. Daher wird intensiv nach alternativen Materialien wie Lithium-Nickel-Oxid geforscht.

Reaktion im LiNiO2-Gitter führt zu Destabilisierung des Materials

Die Ergebnisse der UT Dallas-Studie zeigten, dass eine Reaktion zwischen den Sauerstoffatomen im LiNiO2-Gitter und den Lithium-Ionen zu einer Destabilisierung der Materialstruktur führt. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wurde ein innovativer Ansatz entwickelt, der die gezielte Einführung von Kationen vorsieht. Diese Modifikation soll die Gitterstruktur stärken und z.B. eine Art „strukturelle Säulen“ bilden, welche die Stabilität der Kathode signifikant verbessern.

Matthew Bergschneider, Doktorand der Materialwissenschaften und des Ingenieurwesens, hat ein robotergestütztes Labor zur Herstellung von Batterieprototypen eingerichtet. Hier sollen Syntheseverfahren mit hohem Durchsatz für die LiNiO2-Kathoden erforscht werden. Die Roboter helfen z.B. bei der Synthese, Bewertung und Charakterisierung der Materialien. Bergschneider erklärt:

„Wir werden zunächst eine kleine Menge herstellen und den Prozess verfeinern. 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.“

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