Aufnahme des Kathodenpulvers mit einem Rasterelektronenmikroskop
ZSW
Leistungsstarke und günstige Batteriespeicher für Elektrofahrzeuge rücken näher, davon sind die Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) überzeugt. Die Forscher haben ein neues kobaltfreies Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt.
"Unser lithiiertes, cobaltfreies Lithium-Nickel-Manganoxid ist ein vielversprechendes neues Material für Elektrofahrzeugbatterien", sagt Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens, Leiterin des ZSW-Fachgebiets Materialforschung Akkumulatoren. Die Kapazität und Energiedichte seien höher, die Kosten geringer und die Produktion auf industrielle Größen hochskalierbar.
Den bisherigen Stand der Technik von Lithium-Ionen-Batterien repräsentieren nickel- und kobalthaltige Schichtoxide wie NCM (1:1:1), NCA oder die sich noch in Entwicklung befindlichen nickelreichen Schichtoxide NCM (8:1:1). Dagegen sei das neu entwickelte Material der ZSW-Forscher kostengünstiger, da auf das teure und seltene Kobalt verzichtet und weniger Nickel genutzt werde.
Speicherkapazität, Energiedichte und Stabilität
Wie die Forscher erklären, besitzt das Material mit der Formel Li1+xMn1.5Ni0.5O4 mit mehr als 210 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) eine deutlich größere Speicherkapazität als heute verwendete oder in Entwicklung befindliche Kathodenmaterialien. Da die Entladespannung zum Großteil bei über 4,5 Volt liege, sei auch eine bis zu 40 Prozent höhere Energiedichte der gesamten Batterie möglich.
Zudem sei die thermische Stabilität im geladenen Zustand deutlich besser als bei den gängigen Kathodenmaterialien. Das führt den Forschern zufolge zu einer höheren Sicherheit der Zellen. Auch die Lebensdauer-Werte des neuen Batteriematerials seien erfreulich. Trotz der frühen Entwicklungsphase konnte eine gute Zyklenstabilität mit mehr als 150 Zyklen ohne Kapazitätsverlust in kompletten Zellen mit Graphit als Anode demonstriert werden, berichten die Wissenschaftler.
Einfach zu produzieren
Das Manganoxid lasse sich dabei einfach über bekannte Verfahren herstellen. Erste Muster im Kilogrammmaßstab mit hoher Qualität haben die Forscher am ZSW bereits produziert. Das Pulver enthalte sphärische Partikel mit einer hohen Klopfdichte von 2,4 Gramm pro Kubikzentimeter. Die Partikel seien ähnlich groß wie die heute verwendeter Kathodenmaterialien und sollen daher gut in kommerziellen Elektrodenbeschichtungsprozessen eingesetzt werden können.
Die ZSW-Forschungsarbeiten wurden vom BMBF im Rahmen der Excellent Battery Initiative im Projekt LiEcoSafe gefördert.